Cepa microbiana

¿Qué es una cepa microbiana?

Una cepa microbiana es el conjunto de microorganismos descendientes de una única célula microbiana, que se propaga clonalmente y comparte características genéticas únicas y específicas dentro de una misma especie.

Estas características compartidas lo diferencian ligeramente de otros de su misma especie, pero las diferencias no son suficientes para categorizarlos como especies distintas.

La cepa es la base para cualquier estudio microbiológico, ya que garantiza a los científicos que los parámetros y características que se investiguen acerca de una especie de microbio son específicos solo de esa especie. Además, les permite asegurar, de cierta forma, la reproducibilidad de las investigaciones.

Por ejemplo, para los estudios taxonómicos en microbiología, el primer objetivo es obtener la cepa del organismo que se desea clasificar, ya que de esta forma se pueden definir de forma precisa cuáles son cada una de las características taxonómicas que diferencian a este subconjunto dentro de una población de una especie de cualquier otra especie de microbio.

La cepa permite mantener viva y aislada una especie de microbio in vitro durante largos periodos, es decir, lejos de su ambiente natural. Se pueden obtener cepas de muchos microorganismos de tipos diferentes, como bacterias, hongos, virus, protozoarios, algas, entre otros.

Para el mantenimiento de las cepas, deben estar en un aislamiento estricto, que evite el contacto con cualquier agente contaminante, como esporas de hongos o cualquier agente de microorganismos externo.

Características de la cepa microbiana

– Origen común. Todos los microorganismos de la cepa provienen de un mismo microorganismo inicial, por eso presentan gran similitud genética.

– Identidad genética específica. Poseen un conjunto particular de genes que las diferencia de otras cepas de la misma especie. Pequeñas variaciones genéticas pueden cambiar su comportamiento.

– Características fisiológicas propias. Cada cepa puede tener diferentes velocidades de crecimiento, necesidades nutricionales, tolerancia a temperatura o pH y metabolismo.

– Capacidad de adaptación. Algunas cepas sobreviven en ambientes extremos o desarrollan resistencia a antibióticos y desinfectantes.

– Patogenicidad variable. No todas las cepas causan enfermedad. Algunas son inocuas o beneficiosas, mientras otras son patógenas. Ejemplo: ciertas cepas de Escherichia coli viven normalmente en el intestino y otras producen intoxicaciones.

– Producción de sustancias. Muchas cepas producen enzimas, toxinas, antibióticos, alcoholes o ácidos orgánicos.

– Importancia industrial y biotecnológica. Se usan en diversas áreas, como la producción de alimentos fermentados, medicamentos, biocombustibles, tratamiento de residuos, etc.

– Estabilidad o variabilidad genética. Algunas cepas mantienen características estables. Otras mutan fácilmente y cambian sus propiedades.

Identificación de la cepa microbiana

• Identificación molecular. Existen diferentes métodos para identificar una cepa recién aislada. Sin embargo, en la actualidad la técnica más precisa, rápida y sencilla para determinar la identidad de casi cualquier especie es el análisis de algunas pocas regiones de las secuencias genéticas que componen el genoma del individuo. Usualmente estos análisis se realizan amplificando regiones específicas del ADN con la técnica de PCR (Reacción en Cadena de la Polimerasa). Estas técnicas varían según el filo, la familia y el tipo de microorganismo del cual se desea conocer la identidad. Por lo general estas regiones son:
  • Las regiones que codifican para los ARNs ribosomales.
  • Los genes que codifican para las subunidades proteicas que participan en la respiración (sobre todo si el organismo es aeróbico).
  • La región genética que codifica para los microfilamentos de actina (parte del citoesqueleto).
  • Algunas regiones genéticas del cloroplasto o las subunidades proteicas que participan en la fotosíntesis (para algunas algas y cianobacterias y para todas las plantas).

Una vez que estos fragmentos del genoma se han amplificado con éxito son secuenciados para conocer el orden de los nucleótidos que componen dichas regiones del genoma. Esto se realiza a través de técnicas NGS (del inglés Next Generation Sequencing) con equipos especializados conocidos como secuenciadores.

Las regiones secuenciadas son comparadas con las secuencias de los microorganismos de ese tipo ya reportadas anteriormente, lo que es posible mediante el empleo de, por ejemplo, la base de datos depositada en el sitio web GenBank (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/genbank/).

• Identificación morfológica. En los laboratorios que no cuentan con herramientas de biología molecular para analizar las características genéticas, se utilizan otros parámetros fenotípicos para identificar las cepas de muchos microorganismos. Una vez más, las características fenotípicas que se estudian varían dependiendo del organismo, el filo, de la familia y de la especie que se considere. Entre estos parámetros se estudian:
  • Las características morfológicas del microbio en el medio de cultivo. Se observan rasgos como color, forma, textura, tipo de crecimiento, entre otros aspectos.
  • Análisis de productos metabólicos utilizando herramientas bioquímicas. Se estudia la producción de metabolitos secundarios, compuestos químicos excretados, entre otros.
  • Caracterización y cristalización de proteínas. Se extraen las proteínas internas de los microorganismos y se estudian de forma independiente.

Lo típico en los estudios microbiológicos es realizar la caracterización de las cepas con ambos tipos de identificación, es decir, tanto mediante observaciones morfológicas como análisis moleculares.

Aislamiento de cepas microbianas

El aislamiento de cepas implica varias técnicas que también se utilizan para separar una especie de microbio de otra. La capacidad de aislar la cepa de una especie de interés es esencial para determinar con exactitud las características que la definen.

La mayoría de las técnicas de aislamiento de cepas fueron creadas en el transcurso del siglo XIX por los padres de la microbiología Louis Pasteur y Robert Koch. Ambos se esforzaban obsesivamente en obtener cultivos celulares puros (cepas) de los microorganismos que estudiaban.

Para obtener esos cultivos celulares exploraron una gran diversidad de técnicas y herramientas, desde el uso de palillos estériles hasta variaciones en la composición de los medios de cultivo donde se disponían a crecer a los microbios que estudiaban.

En la actualidad se han reunido todas las técnicas desarrolladas y utilizadas por estos investigadores y algunas otras más modernas en 6 tipos diferentes, que son:

• Rayado, rayas o rayaduras. Utilizando un instrumento fino y puntiagudo, se toca el lugar donde se encuentra el microorganismo (especial para cultivos crecidos in vitro en medio sólido). Con el extremo con que se tocó el microorganismo se realizan rayas en un medio sólido estéril rico en nutrientes.
• Inmersión o fusión en el medio. Se toma una pequeña muestra de microbios (puede ser como la que se tomó en la técnica anterior) y se coloca en el interior del medio de crecimiento en estado líquido, se agrega agar para que solidifique y se espera que enfríe. Las colonias solo se observarán cuando el microorganismo se encuentra muy desarrollado.
• Diluciones seriadas. Una muestra del lugar original de donde se colectó la especie se diluye se forma consecutiva en un medio estéril libre de otros microorganismos. Las diluciones se siembran en medios sólidos y se espera que aparezcan las colonias.
• Medios de cultivo exclusivos. Son medios de cultivo que permiten el crecimiento de solo el tipo de microbio de interés; es decir, que posee componentes o nutrientes que solo permiten el crecimiento de la cepa que se desea aislar.
• Separación manual o mecánica. Se coloca una pequeña muestra del microbio que se desea aislar y a través de un microscopio se intenta separar un solo individuo de la especie del resto de individuos que lo rodean.

Algunas de estas técnicas son más fáciles de utilizar que otras. Sin embargo, los investigadores las emplean según sean las características biológicas de la especie de estudio.

Referencias

1. De Kruif, P. Microbe hunters. Houghton Mifflin Harcourt.
2. Dijkshoorn, L., Ursing, B.M., Ursing, J.B. Strain, clone and species: comments on three basic concepts of bacteriology. Journal of medical microbiology.
3. Marx, V. Microbiology: the road to strain-level identification. Nature methods.
4. Willey, J.M., Sherwood, L., Woolverton, C.J. Prescott’s principles of microbiology. McGraw Hill Higher Education.
5. Williams, J.A. (Ed.). Strain engineering: methods and protocols. Humana Press.