Microbiología y biotecnología: el papel ecológico de los microorganismos

El concepto de microorganismo no hace referencia a un grupo taxónomico concreto, sino al conjunto de organismos de pequeño tamaño que pertenecen a los reinos Monera, Hongos y Protistas. Es evidente, por tanto, que la característica fundamental de los microorganismos es precisamente su diversidad.

En muchos casos, además, los microorganismos han evolucionado durante mucho tiempo (algunos son organismos extraordinariamente antiguos), ocupando ambientes marginales, en los que se dan características poco adecuadas para la vida, de modo que se han visto obligados a desarrollar rutas metabólicas especiales, que les permitan aprovechar recursos extraños o adecuarse a condiciones excepcionales. La diversidad metabólica de los microorganismos hacen de ellos un grupo clave desde el punto de vista ecológico: juegan un papel fundamental en el cierre de los ciclos de materia, pueden actuar como simbiontes o patógenos de otros organismos y colonizan entornos extremos.

La Tierra como planeta es un sistema cerrado. Esto significa que intercambia energía con su entorno, pero no materia. La consecuencia de este hecho es que la materia de nuestro planeta debe ser utilizada una y otra vez, reciclándose continuamente. En particular, los seres vivos modificamos la materia de un modo muy significativo al transformar la materia inorgánica en materia orgánica, con unas características químicas muy especiales. Para que los organismos puedan volver a utilizar la materia que necesitan la materia orgánica debe volver a ser transformada en inorgánica. Estos procesos definen los tres grandes papeles ecológicos que desempeñan los seres vivos en relación con las transformaciones de la materia:

• Los productores son organismos que utilizan materia inorgánica y, aprovechando energía captada de algunos procesos no biológicos, la transforman en la materia orgánica que necesitan para elaborar sus propios componentes.
• Los consumidores aprovechan la materia orgánica tanto para elaborar sus propios componentes como para obtener energía mediante reacciones de degradación de estos compuestos.
• Los descomponedores, además de utilizar para sus componentes la materia orgánica, la transforman en materia inorgánica para obtener energía.

En los ecosistemas es posible encontrar microorganismos que realizan las tres funciones. Sin embargo, los descomponedores son exclusivamente microorganismos, lo que da una primera idea de su importancia ecológica. Pero, además de su interés cualitativo, los microorganismos juegan un papel extraordinariamente activo en el funcionamiento de los ciclos de materia, debido a:

• Su amplia distribución ecológica: existe una gran variedad de microorganismos en todos los ecosistemas, por excepcionales que sean las condiciones ambientales de los mismos.
• Su facilidad de dispersión, facilitada por su pequeño tamaño, lo que facilita que aparezcan en cualquier entorno y contribuyan a su colonización antes de que lleguen hasta él otros organismos.
• Su diversidad metabólica, que les permite aprovechar prácticamente cualquier tipo de compuesto presente en el entorno.
• Su pequeño tamaño y rápido crecimiento, que favorece un rápido intercambio de sustancias entre los organismos y el entorno, facilitando la dinámica del ecosistema.

Ciclos biogeoquímicos de materia

La materia se encuentra en diferentes "depósitos" (geológico, hidrológico, atmosférico o biológico), pudiendo aparecer en cada uno de ellos en diferentes "formas" o sustancias químicas, que pueden transformarse unas en otras mediante reacciones químicas. Para analizar el comportamiento de la materia en el seno de un ecosistema se utiliza, normalmente, un enfoque de dinámica de sistemas, que centra su atención tanto en los depósitos de materia (formas de materia que contienen, cantidades) como en los flujos que se establecen entre ellos (caracterizados por una velocidad, que marca el ritmo con el que la materia pasa de un depósito a otro). Como las transformaciones suponen modificaciones químicas, es decir, transformaciones de una sustancia en otras, se suele tomar como unidad de estudio cada elemento químico. Los ciclos biogeoquímicos que más importancia tienen para los seres vivos son los del Carbono, el Nitrógeno, el Fósforo y el Azufre.

Ciclo del Carbono

El del carbono es un ciclo biogeoquímico "completo", en el sentido de que este elemento aparece en depósitos ubicados en todos los subsistemas terrestres. También es el ciclo en el que mayor importancia tienen los organismos vivos, como cabe esperar al tratarse del elemento químico fundamental en su composición.

Los seres vivos participan en prácticamente todos los procesos del ciclo del carbono, en especial en aquellos que tienen que ver con su incorporación a la materia orgánica, que es llevada a cabo por los productores mediante la fotosíntesis y, en menor medida, la quimiosíntesis, o su retorno a los depósitos no orgánicos: la respiración devuelve el carbono orgánico a la atmósfera, la muerte de los organismos lo deposita en el suelo, la deposición de los caparazones calcáreos da lugar a importantes formaciones sedimentarias de caliza y la descomposición anaerobia de los restos orgánicos forma los depósitos de hidrocarburos.

Los microorganismos, en particular, juegan importantes papeles en el desarrollo del ciclo del carbono:

• Incorporación del carbono a la materia orgánica:
• Fotosíntesis:
• Oxigénica: los protistas verdes y las cianobacterias son, junto a las plantas verdes, los principales productores de los ecosistemas.
• Anoxigénica: se debe a la actividad de bacterias fotosintéticas rojas y verdes.
• Quimiosíntesis: es desarrollada por bacterias de diferentes tipos
• Uso del carbono orgánico: todos los microorganismos utilizan el carbono orgánico como elemento básico de su metabolismo.
• Descomposición: bacterias y hongos son los responsables de la mineralización de los compuestos orgánicos de carbono
• Las arqueobacterias metanogénicas, un grupo de organismos filogenéticamente muy primitivos, utilizan el CO₂ para producir metano que es emitido a la atmósfera. A su vez, este metano puede ser utilizado por las bacterias metanotrofas para producir energía.

Ciclo del Nitrógeno

En comparación con el ciclo del carbono, en el ciclo del nitrógeno los organismos tienen una importancia relativa mucho mayor, ya que son los principales responsables de los cambios en el estado de oxidación de este elemento. Esto tiene una importancia considerable, ya que el estado de oxidación es el factor que determina la posibilidad de que los organismos puedan utilizar o no los compuestos nitrogenados.

En cuanto al desarrollo del ciclo en sí, apenas hay nitrógeno en la geosfera; los depósitos fundamentales de este elemnto son la atmósfera (donde se encuentra como N₂, en estado de oxidación cero) y los seres vivos.

Una característica peculiar del ciclo de este elemento es la gran diversidad de estados de oxidación en que se encuentra en la naturaleza, aunque solo algunos de ellos pueden ser asimilados por los seres vivos. Otra circunstancia que explica también la complejidad de la participación de los organismos en el ciclo del nitrógeno es que los seres vivos utilizan este elemento con dos propósitos diferentes: para incorporarlo a sus constituyentes esenciales (ácidos nucleicos, proteínas...), función imprescindible en todos los seres vivos, y para utilizarlo en ciertas reacciones químicas que proporcionan energía a algunos organismos (bacterias quimioautótrofas).

La incorporación de nitrógeno a la materia orgánica solo es posible cuando el nitrógeno se encuentra en ciertos estados de oxidación. Los organismos heterótrofos se caracterizan porque solo pueden utilizar el nitrógeno reducido, mientras que la mayoría de las plantas pueden usar también formas oxidadas como nitritos o nitratos, lo que explica el uso de estos compuestos como fertilizantes en los suelos. Por último, un reducido grupo de microorganismos son capaces de transformar nitrógeno molecular (N₂) en nitrógeno reducido (-NH₂), lo que les permite incorporarlo directamente en sus componentes. Este proceso, la fijación de nitrógeno, tiene una importancia ecológica enorme: el nitrógeno molecular es la forma química más estable de este elemento, y de no ser por los procesos que lo rompen (fijación biológica y, en mucha menor medida, fijación inorgánica debida a descargas eléctricas en la atmósfera), todo el nitrógeno tendería a acumularse en esta forma en la atmósfera, con lo que quedaría fuera del alcance de los seres vivos. La fijación de nitrógeno, por tanto, supone prácticamente el único mecanismo posible para incorporar a los organismos uno de los bioelementos primarios.

La fijación biológica del nitrógeno es un proceso complejo, que requiere un considerable aporte de energía y, sobre todo, condiciones de anaerobiosis estricta, porque el oxígeno envenena la enzima responsable del proceso, la nitrogenasa. En estas condiciones, la fijación de nitrógeno se limita a unos cuantos tipos de organismos que habitan en ambientes muy marginales o que son capaces de generar su propio ambiente anaerobio. Entre estos últimos, algunos grupos son de vida libre, es decir son capaces de desarrollar el proceso de modo totalmente independiente (como ciertas cianobacterias), mientras que otros establecen simbiosis con algunos tipos de plantas (en particular las leguminosas) que les proporcionan un ambiente adecuado para poder fijar el nitrógeno.

Uno de los casos más importantes de simbiosis entre organismos fijadores de nitrógeno y plantas es la que se establece entre las bacterias del género Rhizobium y las plantas de la familia de las leguminosas, que explica la costumbre tradicional de sembrar legumbres para enriquecer el suelo en compuestos nitrogenados. En esta asociación, las bacterias invaden las raíces de las leguminosas, y éstas responden creando a su alrededor una estructura llamada nódulo, en el que cada bacteria está rodeada de un material impermeable, que impide la llegada del oxígeno. Pero, además de la adaptación morfológica, las leguminosas expresan en sus raíces una proteína llamada leg-hemoglobina que se une al oxígeno, retirándolo de la zona donde se encuentran las Rhizobium. Lo peculiar del caso es que el nombre de leg-hemoglobina no es casualidad: la proteína de las leguminosas posee una estructura extraordinariamente parecida a la hemoglobina de vertebrados: incluye un anillo tetrapirrólico con un átomo de hierro en su centro, que es donde se fija el oxígeno, y la estructura terciaria de ambas proteínas es claramente similar.

Más aún, la estructura del gen de la leg-hemoglogina (su secuencia de intrones y exones y la frecuencia de aminoácidos utilizados) es bastante más parecida a las características de las proteínas animales que a otras proteínas de la planta, lo que lleva a pensar que probablemente la leg-hemoglobina es el resultado de una transferencia horizontal de genes entre animales y plantas, como resultado de una infección cruzada.

El resto de las transformaciones químicas del nitrógeno guardan también relación con la ecología de los microorganismos:

• El nitrógeno excretado por los seres vivos se encuentra en forma de amonio (NH₄⁺).  Varios géneros de bacterias utilizan este tipo de compuestos para obtener energía oxidándolos hasta la forma de nitritos (NO₃^-) o de nitratos (NO₂^-). Esta transformación mantiene aún el nitrógeno a disposición de los organismos, porque las plantas son, en general, capaces de absorber dichas formas químicas. Entre las bacterias que participan en estos procesos se encuentran las de los géneros Nitrosomonas, Nitrococcus o Nitrobacter.
• Algunas bacterias del género Pseudomonas llevan más allá este proceso, transformando los nitratos en nitrógeno molecular, con lo que lo dejan fuera del alcance de la mayor parte de los organismos.

Ciclo del azufre

El ciclo del azufre tiene lugar, fundamentalmente, en la geosfera; los depósitos atmosférico e hidrosférico de azufre son poco importantes, hasta el punto de que la concentración de azufre en el agua es uno de los factores limitantes para el desarrollo de los organismos en el medio acuático (junto con el nitrógeno y el fósforo).

Al igual que lo que ocurre con el nitrógeno, los organismos utilizan el azufre tanto para incorporarlo a sus moléculas (proteínas) como para obtener energía de sus reacciones de oxidación-reducción. La forma química del azufre utilizada por los seres vivos es el ión HS^-. Cuando el organismo muere, el azufre es depositado en el medio, donde es aprovechado por los organismos responsables de los procesos de putrefacción, que lo transforman en ácido sulfhidrico (H₂S), uno de los responsables del olor de los cadáveres. Este compuesto, a su vez, puede ser utilizado por bacterias quimiolitotrofas y fotótrofas, que lo oxidan hasta azufre molecular o hasta sulfato (SO₄⁼). Por último, los sulfatos pueden ser reducidos de nuevo a ácido sulfhídrico (reducción desasimiladora) o a ión sulfhidrilo (reducción asimiladora, que permite la reutilización del azufre por parte de los seres vivos, y que es realizada por plantas y varios tipos de microorganismos).

Otros ciclos biogeoquímicos

Los microorganismos intervienen también en el funcionamiento de los ciclos biogeoquímicos de otros elementos:

• En el ciclo del fósforo, el fitoplancton y los vegetales acuáticos incorporan los fosfatos a la cadena trófica. También son capaces de solubilizar los fosfatos inorgánicos.
• La participación de los microorganismos en el ciclo del hierro es también fundamental, porque son los responsables de los cambios en su estado de oxidación que, en el caso de este metal, suponen que pase a ser soluble o insoluble.
• Algunas bacterias son capaces de reducir el hierro III a hierro II, lo que permite su solubilización. Estos microorganismos requieren, para llevar a cabo este proceso, de ambientes anóxicos.
• Algunas bacterias quimiolitotrofas presentes en ambientes oxigenados realizan el proceso opuesto, oxidando el hierro II a hierro III, con lo que lo hacen insoluble.

Relación de los microorganismos con el hombre

Nuestro propio organismo ofrece un entorno adecuado para la proliferación de microorganismos, los cuales establecen con nosotros todo tipo de relaciones tróficas. Así, viviendo sobre nuestro cuerpo o en su interior podemos encontrarnos microorganismos simbiontes o comensales, que constituyen la biota bacteriana normal, o bien microorganismos parásitos. En particular, si los parásitos producen daños que dan lugar a enfermedades suelen denominarse patógenos.

En realidad, las relaciones que se establecen entre dos organismos son dinámicas, y pueden cambiar de características con el paso del tiempo. En el caso del hombre y los microorganismos es relativamente frecuente que algunos que forman parte de la biota normal se aprovechen de estados de debilidad del individuo en el que se encuentran y se transformen en patógenos oportunistas.

La biota normal del organismo se encuentra preferentemente en las superficies del cuerpo que se encuentran expuestas al contacto con el exterior del organismo, lo que incluye tanto la piel como las cavidades y órganos que tienen salida al exterior. En condiciones normales estos microorganismos no tienen efectos perjudiciales para el organismo. Más bien todo lo contrario: como mínimo, compiten por ocupar ese nicho con otros organismos potencialmente patógenos, dificultando o incluso impidiendo su proliferación, por lo que en cierto sentido nos protegen de infecciones.

En la piel y la cavidad bucal se encuentran fundamentalmente bacterias gram positivas, levaduras y estafilococos que, en ciertas ocasiones, pueden contribuir al desarrollo de ciertas enfermedades como la caries o el acné (Propionibacterium acnes).

En el tracto intestinal, por su parte, suelen encontrarse bacterias anaerobias como Escherichia coli, que contribuyen a la digestión y aportan vitaminas a la dieta. Los cambios en la composición de la biota intestinal normal suelen traducirse en episodios de colitis, no tanto porque actúen atacando la mucosa intestinal como porque unas bacterias desencadenan "guerras químicas" contra otra, perjudicando al mismo tiempo al organismo donde se encuentran.

En la mucosa del aparato genital, por último, se encuentran bacterias y hongos como Candida albicans. Estos organismos pueden desencadenar infecciones vaginales como consecuencia de cambios en el valor del pH del medio.

Nuestra biota microbiana normal incluye tanto una gran cantidad como una gran variedad de organismos. En cuanto a cantidad, frente a los diez mil millones de células que pueden constituir un organismo medio, el número de microorganismos que habitan en él puede ser un orden de magnitud mayor, es decir, unos cien mil millones de células.

En cuanto a la diversidad de la biota, solo en la piel podemos encontrar unas 120 especies de bacterias diferentes, mientras que en la boca puede llegar a haber entre 300 y 500 especies distintas. La mayor diversidad, en todo caso, se encuentra en el intestino, donde puede llegar a haber entre 5000 y 35000 especies distintas. Frente a esos datos, el número de especies potencialmente patógenas para el hombre está en torno a las 100, aunque ese número es poco indicativo de la importancia de la presencia de estos organismos. Podemos hacernos una idea más representativa si consideramos la prevalencia de estos organismos, es decir, la frecuencia con la que se encuentran en el ser humano, tanto produciendo enfermedades como sin llegar a provocarlas. Así, se estima que una de cada tres personas están "infectadas" por Mycobacterium tuberculosis (aunque esto no quiere decir que todos ellos tengan la tuberculosis), mientras que una de cada dos personas están infectadas por Helycobacter pylori, y otros tantos por Staphylococcus aureus.