Bacillus: características, reproducción, nutrición, enfermedades
¿Qué es Bacillus?
Bacillus es un género de bacterias de la división Firmicutes que se caracterizan por ser formadoras de esporas en condiciones aeróbicas. Poseen forma de bastón y generalmente son Gram positivas (aunque algunas son Gram variables), con colonias que presentan organismos que se tiñen de rosado y otras que se tiñen de púrpura.
En estos casos, los investigadores han encontrado que el número de organismos que responden como Gram negativos se incrementa con la edad de la colonia debido a una disminución en el grosor de la capa de petidoglicano.
Las bacterias de este género pueden ser aerobias estrictas o anaeróbicas facultativas. La mayoría son móviles por la presencia de flagelos, sin embargo, también hay representantes no móviles. Pueden encontrarse prácticamente en cualquier ambiente en la tierra, incluyendo ambientes extremos, desde elevadas altitudes hasta el lecho marino.
Algunas especies son de interés médico, pues pueden causar enfermedades como el ántrax (Bacillus anthracis) o enfermedades transmitidas por alimentos (Bacillus cereus). Otras son empleadas para la obtención de antibióticos, enzimas, como probióticos o en procesos de fermentación y en agricultura.
Características del género Bacillus
Producción de endosporas
La principal característica que define al género es la capacidad de producir endosporas en condiciones aeróbicas. Estas esporas se caracterizan por ser capaces de resistir altas temperaturas, desecación, a la acción de los desinfectantes, e incluso a la radiación.
Pared celular
La pared celular está formada por varias capas de peptidoglicanos entrecruzadas entre ellas formando un fuerte andamiaje que mantiene la forma celular y que contiene ácidos teicoicos y lipoteicoicos.
Morfología
Tienen forma de bastón, rectas o ligeramente curvadas y se pueden encontrar de forma individual, en pares y ocasionalmente en cadenas. La gran mayoría de ellas son móviles debido a la presencia de flagelos peritricos, es decir, que se proyectan en todas direcciones. Sin embargo, Bacillus anthracis carece de flagelos.
Gram positivas
La mayoría de las bacterias de este género son Gram positivas, sin embargo, algunas son Gram variables, es decir que pueden teñirse de rosado o de púrpura. Esto es debido a que la capa de peptidoglicano puede hacerse menos gruesa y compleja a medida que envejece la bacteria, siendo incapaz de retener el cristal violeta al ser tratada con alcohol.
Resistencia
Son organismos ubicuos y muy resistentes, con especies capaces de resistir temperaturas muy elevadas (termófilas) o muy bajas (psicrófilas), también hay especies que pueden tolerar ambientes muy ácidos o muy alcalinos para otras especies.
Algunas especies son aeróbicas estrictas, siendo incapaces de sobrevivir en condiciones anóxicas, mientras que otras especies son anaeróbicas facultativas.
Morfología del género Bacillus
Las bacterias del género Bacillus pueden tener forma de varilla, rectas o ligeramente curvadas, generalmente de extremo redondo, aun cuando algunas células ha sido descritas como cuadradas (por ejemplo Bacillus cereus).
Las células tienen un diámetro que varía de 0.4 a 1.8 micras y una longitud de 0.9 a 10.0 micras. Las dimensiones de las células dentro de cada especie y dentro de cada cepa suelen tener poca variabilidad.
Las células se presentan individualmente y en pares, algunos en cadenas y ocasionalmente en filamentos largos. Dependiendo de la especie, la cepa y las condiciones de cultivo, las células hijas pueden separarse.
De esta manera el cultivo parece estar compuesto de células individuales y pares de células en división cuando se observan mediante microscopía de contraste de fase. En otros casos, las células hijas pueden permanecer unidas entre sí, por lo que se ven cadenas de células.
La morfología de las esporas es una característica taxonómica, aun cuando puede existir alguna variación dentro de cepas particulares. Las esporas más comunes tienen forma elipsoidal u ovalada, pero las formas van desde cilíndricas hasta elipsoidales, esféricas o de formas irregulares que recuerdan un riñón o un plátano.
Taxonomía y clasificación
Taxonómicamente, el género Bacillus está ubicado en el Phylum Firmicutes, Clase Bacilli, Orden Bacillales, Familia Bacillacea. Este género fue utilizado por Christian Gottfried Ehrenberg en 1835 para para agrupar a las bacterias en forma de bastón.
Luego Ferdinand Cohn, en 1872, redefinió el grupo como bacterias formadoras de esporas, resistentes al calor, Gram-positivas y aerobias o anaerobias facultativas. La especie tipo del género es Bacillus subtilis.
Los investigadores determinaron en 1991 que el género Bacillus, tal como había sido tratado hasta la fecha, era polifilético. Por lo cual realizaron un reordenamiento del grupo Bacillus sensu lato, del cual fueron extraídos cinco nuevos géneros.
El género está subdividido en dos grupos, por un lado el grupo de B. subtilis y especies relacionadas, mientras que por el otro se encuentra el grupo de B. cereus. El primero de ellos agrupa organismos de menos de 1 μm de diámetro, esporangio no hinchado y esporas elipsoidales.
El segundo grupo, por su parte, contiene especies de más de 1 μm de diámetro, con un esporangio no hinchado y esporas elpsoidales.
¿Dónde se encuentra el género Bacillus?
Las bacterias del género Bacillus han sido aisladas mayoritariamente en el suelo, agua, alimentos y muestras clínicas. Pero también se han encontrado en los ambientes más insólitos, como en sedimentos oceánicos a miles de metros por debajo del nivel del mar y en muestras de aire estratosféricas, en piscinas geotérmicas ácidas, en aguas subterráneas altamente alcalinas y en lagos hipersalinos terminales.
Otras han sido descubiertas en nichos creados por humanos, desde tumbas mexicanas y deterioradas pinturas murales romanas, hasta cuartos limpios en instalaciones de ensamblaje de naves espaciales.
Las plantas también son una rica fuente de nuevas especies de Bacillus, algunas endofíticas y otras asociadas a la rizosfera.
Reproducción
Las bacterias del género Bacillus tienen dos formas de reproducción asexual: fisión binaria y de esporulación.
Fisión binaria
La fisión binaria es un tipo de reproducción que ocurre cuando la bacteria se encuentra en un ambiente favorable para su desarrollo y permite un crecimiento exponencial. La fisión binaria implica una divisón mitótica que da como resultado dos células hijas idénticas.
Reproducción de esporulación
Este segundo tipo también se conoce por formación de esporas. Aparece cuando hay algún tipo de estrés en la colonia. Durante la esporulación ocurre una división celular asimétrica, dando como resultado la formación de una célula mayor (célula madre) y una de menor tamaño (preespora).
La preespora es englobada por la célula madre y recubierta de varias capas protectoras, lo que genera pérdida de agua y permite su madurez. Luego de ello ocurre la lisis de la célula madre y la liberación de la endospora, la cual puede permanecer en dormancia hasta que las condiciones favorables se reestablezcan.
Esta endospora, como ya fue señalado antes, es resistente a temperaturas extremas, a la desecación, a la acción de detergentes y a la radiación, y es la causa principal de la resistencia de estas bacterias y su capacidad de colonizar cualquier ambiente.
Nutrición
La mayoría de las bacterias del género Bacillus se encuentran habitando en el suelo y su nutrición es de tipo saprófita, es decir, que se alimentan de materia orgánica en descomposición.
Otras especies integran la flora bacteriana de los animales. En estos casos, establecen una relación simbiótica en la cual aprovechan los alimentos ingeridos por su hospedero y producen enzimas que ayudan en la digestión de estos alimentos.
Por último, algunas especies pueden actuar como parásitos oportunistas, alimentándose directamente de su hospedero.
Enfermedades
La mayoría de las especies de Bacillus no son patógenas y rara vez han sido asociadas a enfermedades en humanos u otros animales. El ántrax es la afección más conocida causada por este tipo de bacterias, aunque también son comunes las intoxicaciones alimentarias e infecciones oportunistas causadas por Bacillus cereus
Ántrax o carbunco
Esta enfermedad es altamente contagiosa y es ocasionada por la bacteria Bacillus anthracis. Puede afectar a distintas partes del cuerpo y su patogenicidad depende del tejido afectado, la forma de contagio y el tiempo que se tarda desde el contagio hasta que se inicia el tratamiento.
La forma más agresiva de la enfermedad es el ántrax pulmonar, el cual presenta una mortalidad elevada. También puede atacar la piel (ántrax cutáneo) o el aparato digestivo. El carbunco puede atacar a cualquier animal de sangre caliente, incluyendo al hombre.
Los cadáveres de los animales muertos a causa de la enfermedad, así como terrenos contaminados por las heces, o sangre de animales infectados constituyen reservorios de la enfermedad.
Síndrome del arroz frito
Es un síndrome hemético que aparece principalmente por el consumo de arroz mal manipulado, aunque también puede presentarse por el consumo de lácteos y otros alimentos. El agente causal es la bacteria Bacillus cereus.
Este síndrome se caracteriza por la presencia de náuseas y vómitos, los cuales aparecen de 1 a 5 horas después de la ingesta de los alimentos contaminados. También pueden presentarse calambres abdominales, pero las diarreas no son frecuentes.
Es una enfermedad autolimitada que tiene una duración generalmente no superior a las 48 horas, en las cuales es importante evitar la deshidratación, descansar y evitar el consumo de lácteos mientras perduren los síntomas del síndrome.
Endoftalmitis
La endoftalmitis es una infección de ojo debido a distintos organismos patógenos. La respuesta inflamatoria del órgano infectado puede causar traumas en el mismo ojo.
Distintas especies de bacterias están relacionadas con esta dolencia, una de las más relevantes es Bacillus cereus, cuyas infecciones originan lesiones de pronósticos reservados.
El tratamiento de la enfermedad consiste en suministrar al paciente clindamicina o vancomicina, también se recomienda la dexametasona. En ocasiones, la enfermedad puede comprometer la visión. En estos casos se recomienda la extracción quirúrgica del humor vítreo.
Otras enfermedades
Las bacterias del género Bacillus están relacionadas con distintas enfermedades que afectan principalmente a personas con el sistema inmunitario comprometido. Entre estas enfermedades se pueden mencionar endocarditis, bacteriemia, infecciones cutáneas y musculoesqueletales, así como queratitis.
La especie Bacillus megaterium, una de las especies de bacterias más grandes que existen, puede ocasionar abscesos cerebrales.
Usos/aplicaciones
Probióticos
Según la Organización Mundial de la Salud, los probióticos son microorganismos vivos que causan efectos beneficiosos en la salud de las personas o animales que los consumen en cantidades adecuadas en su dieta.
Algunas especies de Bacillus tienen uso como probióticos, entre ellas B. coagulans. Entre los beneficios que trae la ingesta de esta bacteria, los investigadores han sugerido que está el aliviar los síntomas del síndrome del intestino irritable. También alivia los síntomas de la artritis reumatoidea y la flatulencia.
Otro integrante del género que tiene uso como probiótico es B. subtilis. Entre los beneficios de este organismo como probiótico se encuentran el alivio de inflamaciones intestinales e infecciones urogenitales y detener la diarrea.
Las esporas de esta bacteria, por su parte, actúan contra el estrés oxidativo producto de la queratinocitis.
Controlador biológico
Las bacterias del género Bacillus producen una variedad de sustancias con propiedades antibióticas que inhiben el crecimiento de organismos fitopatógenos, tales como los lipopéptidos cíclicos no ribosomales y las δ endotoxinas. También la emplean en la industria farmacológica para obtener antibióticos contra patógenos de seres humanos.
Aproximadamente el 75% de los bioplaguicidas que se comercializan a nivel mundial son producidos con base en Bacillus thuringiensis. Otras especies, como por ejemplo B. subtilis, B. pumilus y B. amyloliquefaciens también son empleadas comercialmente, principalmente para la elaboración de fungicidas.
Otros usos
La industria también emplea las bacterias del género Bacillus para la obtención comercial de enzimas y para la elaboración de detergentes. Adicionalmente se encuentran entre los microorganismos más utilizados en estudios de microbiología, biología molecular, o ingeniería genética, entre otros.
Ciclo de vida de las especies del género Bacillus
En condiciones adecuadas de nutrición, temperatura, pH, composición atmosférica, entre otras, las células de Bacillus crecen y se dividen por fisión binaria, una forma de reproducción asexual que consiste en la duplicación del ADN, seguida de la división del citoplasma por un tabique divisor que atraviesa el centro de la célula, dando lugar a dos células hijas.
Condiciones adversas
Sin embargo, cuando las condiciones ambientales son adversas, las células vegetativas generan endosporas, que son estructuras celulares que no contiene ATP y que tienen metabolismos extremadamente latentes, lo cual le confiere resistencia.
Las endosporas se forman al final de la fase de crecimiento exponencial. Se conocen muchos otros factores que afectan la formación de endosporas, como la temperatura de crecimiento, pH ambiental, aireación, presencia de ciertos minerales y fuentes de carbono, nitrógeno y fósforo y sus concentraciones. Otra influencia es la densidad poblacional.
Pasos esporas latentes-células vegetativas
La conversión de esporas latentes a células vegetativas implica tres pasos: activación, germinación y crecimiento externo. La inactividad se rompe con cambios favorables en la temperatura o por envejecimiento de las células.
Sin embargo, muchas especies no requieren tal activación. Al salir de la latencia, si la espora encuentra condiciones ambientales apropiadas, se desencadena la germinación, a través de la perdida de la refractancia, de una rápida hidrolización de la corteza y de la degradación de pequeñas proteínas ácido solubles que le confieren resistencia a agentes químicos y de radiación.
El protoplasto de las esporas germinadas se hincha visiblemente debido a la captación de agua, se reanuda la biosíntesis, y una nueva célula vegetativa emerge de la capa de esporas rotam dando lugar a un nuevo período de reproducción vegetativa.
Ejemplos de especies del género Bacillus
Bacillus cereus
Esta especie es una bacteria Gram positiva que se encuentra comúnmente en los suelos, el agua y en los alimentos en todas las zonas templadas del mundo. Es una especie anaeróbica facultativa que puede desplazarse por acción de flagelos peritricos.
Esta bacteria es una de las principales responsables de enfermedades transmitidas por los alimentos, pudiendo ocasiones síndrome emético o síndrome tóxicoinfeccioso. Bacillus cereus también puede ocasionar diversas enfermedades no gastrointestinales, como por ejemplo endocarditis, bacteriemia, endoftalmitis o infecciones cutáneas crónicas entre otras.
Debido a que presenta endosporas muy resistentes, su eliminación no se logra con la cocción, tampoco la elimina el congelamiento, pero este último si detiene su crecimiento, por lo cual es recomendable emplear temperaturas inferiores a 6 °C si el alimento va a ser almacenado por largos períodos de tiempo.
Bacillus anthracis
Es una especie del género que se caracteriza por ser inmóvil por la ausencia de flagelos, al contrario de lo que ocurre con el resto de los representantes del género. Es Gram positiva y anaerobia facultativa.
Esta bacteria es la responsable del carbunco y su patogenicidad depende de dos factores de virulencia, un polipéptido capsular denominado Sustancia P y una exotoxina proteica denominada Factor B.
Existen numerosas cepas de esta bacteria, cuya virulencia varía entre ellas. Las cepas más virulentas han sido empleadas como armas biológicas.
Bacillus subtilis
Bacteria Gram positiva y catalasa positiva que habita en el suelo. Tiene forma de bastón de bordes redondeados y un tamaño de 2-3 micras de largo por 1 micra de ancho. Esta bacteria es casi exclusivamente aeróbica, pero puede sobrevivir en ambientes anóxicos.
Es considerada como segura para el ser humano, pero existen casos aislados de intoxicación por ingesta de alimentos contaminados con esta especie. En estos casos, los síntomas son similares a los de intoxicación por Bacillus cereus.
Es una de las especies bacterianas más estudiada y los investigadores la consideran como la versión Gram positiva de Escherichia coli. También es considerada como organismo modelo para estudios de laboratorio, sobre todo en estudios de manipulación genética.
Bacillus subtilis produce bactricina, un antibiótico bactericida el cual es efectivo en el tratamiento contra bacterias Gram positivas, como por ejemplo Staphilococcus aureus. También produce compuestos bioactivos con actividad antifúngica y sustancias empleadas en la elaboración de detergentes.
Bacillus thuringiensis
Bacilo Gram positivo que habita en el suelo, superficie de las plantas y en el intestino de las orugas de diversas especies de mariposas y polillas. Se caracteriza porque durante el proceso de esporulación producen unos cristales proteínicos que poseen propiedades insecticidas.
Gracias a estos cristales, conocidos como δ endotoxinas, las esporas de Bacillus thuringensis y los cristales proteínicos tienen uso como biopesticidas desde hace más de 100 años.
Los investigadores han introducido la información genética de esta planta, por medio de ingeniería genética, a diversas especies de plantas, tales como patata, algodón o maíz, para que las plantas produzcan sustancias con propiedades insecticidas.
Referencias
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- P.C.B. Turnbull (1996). Chapter 15. Bacillus. In: Baron S, editor. Medical Microbiology. 4th edition. Galveston (TX): University of Texas Medical Branch at Galveston.
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