¿Qué son las bacterias?
Son un grupo de organismos unicelulares, esto es, formados de una célula, y sólo visibles al microscopio (Figura 1). No todos los microorganismos son bacterias, existen otros seres pequeños como algas, hongos y protozoarios, pero en este artículo sólo se tratará sobre microbios del tipo de las bacterias.
La estructura de las bacterias es muy sencilla en comparación con las células de los organismos superiores (animales y plantas), que poseen componentes internos especializados (como el núcleo y las mitocondrias). Las bacterias se pueden visualizar como minúsculas “bolsitas”, con una envoltura formada por una Pared rígida y una Membrana flexible (Figura 2). La pared protege y da forma a la célula bacteriana, mientras que la membrana es responsable del intercambio de nutrimentos y desechos con el exterior. En el interior de la bolsita, se encuentra el citoplasma y, flotando en él, un largo e intrincado ovillo de ADN (Figura 2). En el citoplasma abundan miles de distintos tipos de enzimas, una clase de proteínas responsables de los cambios químicos que ocurren en todas las células.
Las bacterias poseen formas muy diversas, tanto en los acúmulos que producen cuando se las cultiva en el laboratorio (llamados colonias) (Fig. 3) como en su estructura unicelular (Fig. 4).
Las bacterias típicas tienen un tamaño de entre 0.5 y 5 micrómetros (µM); un micrómetro es la millonésima parte de un metro. Una forma de entender su tamaño es comparándolas con situaciones de la vida real. Por ejemplo, en la uña de mi dedo pulgar caben, en fila india, alrededor de 5,000 bacterias. Si fueran personas tomadas de la mano, la fila iría de la Catedral de Morelia hasta la Central de autobuses (unos 5 kilómetros). Una fila de bacterias subiendo hasta la cúspide de dicha Catedral sumaría unos 20 millones de individuos (si fueran personas, casi le darían una vuelta a la Tierra por su Ecuador!).
¡Son un titipuchal!
Las bacterias son, y por mucho, los organismos más abundantes en nuestro planeta. Se estima que el número total de estos microorganismos en la Tierra es de un 10 seguido de 30 ceros. Pero, ¿cuánto es esto? Una bacteria pesa alrededor de 1 picogramo, esto es, la billonésima parte de un gramo. Si tomáramos a todas las bacterias del planeta, su peso alcanzaría… un billón de toneladas (como que no guardan la línea estos bichitos, ¿eh?). Esta cantidad representa una masa igual al peso de todo el mundo vegetal de la Tierra! A una menor escala, el peso total de bacterias en el cuerpo de un ser humano se estima en unos dos kilos. Esto equivale a diez veces más individuos que la cantidad de células que tiene esa persona (ver “¡aguas con la limpieza! Los metaorganismos no son de miedo”, Cano-Camacho, Saber Más No. 1).
Las bacterias tienen una velocidad de reproducción espeluznante. En un cultivo en el laboratorio, estos microorganismos pueden duplicar su número cada 30 minutos. Como el crecimiento bacteriano es exponencial (Fig. 5), esto es, se incrementa como una función logarítmica, los números son impresionantes.
En condiciones ideales, una bacteria daría, en cinco horas, alrededor de mil descendientes (habrían transcurrido 10 generaciones bacterianas; el equivalente de una familia humana se alcanzaría en unos 200 años); en 10 horas, ya serían un millón de bacterias hijas (Fig. 5). Pero en 24 horas, el número se elevaría a un 10 seguido de 22 ceros, con una masa de 10,000 toneladas (¡el peso de todos los asistentes a un lleno en el estadio Azteca… con todo y el estadio!). Aún más, si las dejáramos solitas otro día, el peso de la descendencia bacteriana sería de…agárrense… varias veces la masa de la Tierra!
Se preguntarán por qué no hemos aún perecido aplastados por toda esa avalancha microbiana. La respuesta es que en los lugares que estos microorganismos habitan (agua, suelo, o cultivos en el laboratorio) el alimento es limitado. Así, las poblaciones bacterianas alcanzan un tope máximo en su reproducción y luego, cuando los nutrimentos escasean, detienen su crecimiento; incluso, algunos miembros de la población mueren porque el ambiente sufre deterioro por los desechos generados. De esta forma, aunque las bacterias poseen el potencial de reproducirse con rapidez, tienen también la capacidad de modular su crecimiento en función de las condiciones del entorno. Un ejemplo: las bacterias de nuestro intestino sólo se reproducen cuando comemos; luego, entran en una etapa latente que mantiene a la población bacteriana en cantidades moderadas… lista para el siguiente tentempié.
Más sabe el diablo por viejo…
Se considera que las bacterias han estado en la Tierra desde hace más de 3,000 millones de años, esto es, aparecieron unos mil millones de años después de que se formó el planeta, días más días menos (Figura 6).
Las condiciones de la Tierra en esas épocas remotas eran sumamente extremas (alta temperatura, elevada radiación y atmósfera plagada de gases tóxicos). Estudios con fósiles indican, sin embargo, que las bacterias casi no han cambiado su estructura general comparadas con los microorganismos actuales, aunque sus propiedades si han evolucionado. Como sabemos, los seres vivos basan sus funciones en un complicado proceso llamado Metabolismo. Este término se refiere a la suma de las reacciones químicas que realizan los organismos para funcionar de manera adecuada. Estas reacciones, como se mencionó antes, son llevadas a cabo por las enzimas.
En la primera parte del siglo XX se encontró que el metabolismo general de las bacterias es muy similar al de los organismos superiores. Una impactante consecuencia de este hallazgo es que todos los organismos que poblamos la Tierra procedemos de un ancestro común.
Una de las propiedades más notorias de las bacterias es su tremenda capacidad para adaptarse a los diversos ambientes presentes en la Tierra. Los sitios más hostiles imaginables hospedan a una amplia diversidad bacteriana. Esto se ha relacionado con el hecho de que, habiendo permanecido durante tanto tiempo en el planeta, las bacterias han evolucionado para habitar muy distintos parajes. Los ejemplos incluyen bacterias viviendo en el hielo del ártico, en hirvientes aguas termales o en áridas zonas desérticas. También, en ambientes ácidos o salinos, o en el lecho rocoso de las profundidades marinas, entornos donde por mucho tiempo se consideró imposible la presencia de seres vivos. Estos microorganismos han sido llamados Extremófilos (ver “Extremófilos: microorganismos viviendo al límite”, Santoyo-Pizano, Saber Más No. 2). Aún más, hay indicios de que las bacterias sobreviven en el espacio exterior y que las hay en los meteoritos que de vez en cuando impactan la Tierra (pero no hay que ir tan lejos, se ha encontrado recientemente que ambientes ricos en diversidad bacteriana son… los Smartphones!).
Chiquitas, pero comen de todo
Aunque las bacterias tienen un metabolismo similar al de los organismos superiores, ellas poseen una inusitada capacidad de asimilar (degradar) una amplísima gama de sustancias presentes en la naturaleza (carbohidratos, grasas, aminoácidos, etc.). Podríamos decir que no hay compuesto orgánico en la tierra que alguna bacteria no pueda aprovechar en su beneficio. Uno de los problemas que enfrentan estos microorganismos es que a veces se encuentran en sitios pobres en alimentos o ricos en sustancias tóxicas. Estos ambientes incluyen las áreas contaminadas por los desechos de las actividades industriales humanas. Ante esas condiciones adversas, las bacterias han evolucionado variadas formas de hacerse de comida. Por ejemplo, desarrollan novedosas reacciones químicas, generando “nuevas” enzimas, para asimilar compuestos que no están dentro del metabolismo de los demás organismos (como pesticidas, hidrocarburos o detergentes). Estas estrategias de biodegradación amplían el menú de sustancias que las bacterias pueden utilizar como fuentes de alimento. Los microbiólogos modernos han aprovechado estas capacidades microbianas en procesos llamados de Biorremediación, que buscan “limpiar” áreas contaminadas reclutando para ello a bacterias degradadoras.
Pero, ¿dónde radica el enorme éxito de las bacterias? Las características de todos los organismos residen en su patrimonio genético, su Genoma. Esto es, el ADN que contiene sus genes y, en ellos, sus capacidades para generar a las enzimas que llevan a cabo sus funciones vitales (el ya mencionado Metabolismo). Un genoma bacteriano es cerca de 1,000 veces más pequeño que el de una célula humana, y contiene apenas unos pocos miles de genes, comparado con las decenas de miles de genes de las células de los organismos superiores. Pero las bacterias lo aprovechan muy bien, empleando prácticamente cada unidad informativa de su genoma (los nucleótidos) para determinar alguna función. La elevada velocidad de reproducción le permite a estos microorganismos mantener una alta frecuencia de cambios (mutaciones) en su genoma. Esta es la base de la fantástica capacidad de las bacterias para adaptarse a las diversas, cambiantes, condiciones del ambiente: un genoma pequeño, pero robusto y versátil.
Las mutaciones que experimentan las bacterias son, por supuesto, heredadas a su descendencia. Pero ellas tienen una forma adicional, poco egoísta y quizá más divertida, de transmitir sus características genéticas a las bacterias vecinas: la transferencia sexual. Algunas bacterias, llamadas “macho”, poseen apéndices filamentosos denominados Pili (Pilus en singular) mediante los cuales pueden transferir material genético a bacterias “hembra” (Figura 7).
El proceso de transferencia sexual le permite a las bacterias difundir sus características genéticas, incluyendo las propiedades “nuevas”, desarrolladas por los individuos en su evolución. Este fenómeno puede en ocasiones tener, sin embargo, consecuencias desagradables, y a veces terribles, como el caso de la diseminación de la resistencia bacteriana a los antibióticos (ver “¡El mal uso de los antibióticos genera resistencia!”, Ramírez-Díaz y Díaz-Magaña, Saber Más No. 14). Tal vez el ejemplo más sorprendente de esta respuesta sexual es el de cierto tipo de bacterias que son capaces de transferir su material genético a… células vegetales!
Sin ellas, seríamos nada
Con todo y su pequeño tamaño, las bacterias juegan un papel fundamental en el desarrollo de la vida sobre la Tierra. No es exagerado afirmar que sin ellas la vida en el planeta no sería posible. Las bacterias participan en una serie de eventos de nombre un poco complicado: los ciclos biogeoquímicos. Tales procesos se refieren al manejo y reciclaje de elementos químicos relacionados con los seres vivos, como el oxígeno, el carbono y el nitrógeno. Pero las bacterias también le entran, como se mencionó, a la descomposición de sustancias nocivas. Estas incluyen a los desechos de las industrias y otros contaminantes ambientales como los hidrocarburos del petróleo y los derivados de los metales pesados.
Un ejemplo importantísimo de microorganismos benéficos son las bacterias llamadas Rhizobium. Ellas se asocian en el suelo con las raíces y le permiten a las plantas capturar (“fijar”) de la atmósfera el esencial elemento Nitrógeno (componente nada menos que de las enzimas y del ADN). Se ha calculado que si las bacterias dejaran de fijar al nitrógeno, las plantas de la Tierra se terminarían su provisión del elemento en… una semana (¡con las repercusiones catastróficas que ya imaginarán!). Otro caso notable de microorganismos benéficos es el de unas antiquísimas bacterias que quedaron atrapadas dentro de las células animales y vegetales y que ahora son esenciales para la obtención de energía: las Mitocondrias y los Cloroplastos modernos (ver “Microorganismos endófitos: origen y vida dentro de las plantas”, Santoyo-Pizano, Saber Más No. 9).
El hombre ha utilizado muchas de las propiedades de los microorganismos en su beneficio. Para citar algunos ejemplos: hay bacterias que se emplean como bioinsecticidas, por su capacidad para eliminar ciertas plagas; otras son responsables de las diferencias entre los vinos y los quesos. Algunas bacterias se utilizan en la fabricación de enzimas, vitaminas, vacunas y otros productos químicos; los conocidos Lactobacilos son auxiliares en la digestión y se emplean como suplemento alimenticio. Ciertas bacterias se han empleado para recuperar metales valiosos (como cobre y oro) e incluso para producir plásticos biodegradables.
Como ocurre en cualquier familia, sobre todo si ésta es numerosa, nunca falta algún miembro del grupo que se sale del redil. Estamos rodeados de una miríada de bacterias en nuestro cuerpo y en el entorno, pero mantenemos un sano equilibrio con ellas. La excepción a esta regla de convivencia pacífica es que, en un número reducido de ejemplos, algunas bacterias han evolucionado para vivir en asociación con plantas o animales causándoles daño (ver el artículo ya citado de Cano-Camacho, Saber Más No. 1).
En el caso de los humanos, se encuentran desde bacterias que producen enfermedades simples y moderadas hasta especies temibles que originan padecimientos graves e incluso mortales. Algunas de estas enfermedades son la tifoidea, la difteria, el cólera, la lepra y la tuberculosis. Las bacterias “malas” son también responsables de otro tipo de daños, como el ataque al ganado y a los cultivos vegetales, la descomposición de los alimentos, la corrosión de las tuberías de agua y el deterioro de materiales de valor cultural o histórico.
¿Hacia dónde va el estudio de las bacterias?
El interés por conocer y analizar la secuencia de los componentes del ADN que conforman el Genoma humano, a finales del siglo XX, originó la llamada Revolución Genómica, que aún persiste en nuestros días. Esto condujo a que en la actualidad se conozcan con detalle los genomas de cientos de bacterias. La Microbiología es una de las disciplinas científicas que más se han beneficiado de la nueva tecnología genómica. Estos estudios han abierto amplias avenidas para el entendimiento del origen, desarrollo y evolución de las bacterias, así como para extender los beneficios del empleo de estos microbios para el hombre. La erradicación de las enfermedades causadas por bacterias también podrá lograrse en el futuro con base en más información sobre estos maravillosos microorganismos.
Para Saber Más:
www.microbeworld.org/microbes/bacteria
Dr. Carlos Cervantes Vega
Es Profesor-Investigador en el Instituto de Investigaciones Químico-Biológicas de la Universidad Michoacana de San Nicolás de Hidalgo. Es miembro del Sistema Nacional de Investigadores y de la Academia Mexicana de Ciencias. Su trabajo de investigación se relaciona con el estudio de mecanismos bacterianos de resistencia a metales pesados y con el análisis de genes adaptativos presentes en plásmidos bacterianos.