Efecto temperatura sobre el crecimiento microbiano

2. EFECTO DE LA TEMPERATURA
v Es un factor ambiental físico que afecta todas las reacciones
bioquímicas y por lo tanto el crecimiento de los
microorganismos.
v A temperaturas bajas es que el agua se congela, y deja de ser el
medio para reacciones metabólicas, además los cristales rompen
la membrana.
v Las temperaturas altas aafectan a los tres tipos fundamentales
de moléculas biológicas: lípidos, proteínas y ácidos nucleicos,
produciendo cambios estructurales que desembocan en su
desnaturalización.
v Afecta la solubilidad de los gases en el agua, de manera que a
altas temperaturas puede haber requerimiento de O2 y/o de
CO2.
v Cerca de los 100 °C la membrana se hace fluida y puede ser letal.
v Antes de los 75 °C, la clorofila se degrada perdiéndose la
capacidad fotosintética.

3. Las altas temperatura
son empleadas para
destruir a los
microorganismos.
Las bajas temperatura
son empleadas para
conservar a los
microorganismos.

4. LÍMITE DE TEMPERATURA DE CRECIMIENTO
L o s l í m i t e s d e
temperatura dentro
d e l o s c u a l e s
pueden encontrarse
organismos vivos
son amplios y van
desde -­‐‑18 oC hasta
113 oC a presión
atmosférica.
Archaea
Algas, bacterias
quimiótrofas, arqueas

5. LÍMITE DE TEMPERATURA DE CRECIMIENTO

6. TEMPERATURAS CARDINALES.
Son las temperatura
m í n i m a , ó p t i m a y
máxima de crecimiento
de los microorganismos.

7. TEMPERATURAS CARDINALES
: µ máxima

8. Clasificación de los microorganismos con base a la
temperatura óptima de crecimiento
v Psicrofícos ó criofílicos
v Psicrotróficos ó
psicrofílicos facultativos
v Termofílicos
v Termofílicos extremos ó
hipertermofílicos
v Mesofílicos

9. Ejemplo de microorganismos

10. LÍMITES DE TEMPERATURA DE CRECIMIENTO
Estenotérmicos: microorganismos
que crecen a intervalos de
temperatura muy estrechos.
Euritérmicos: microorganismos
que crecen en intervalos de
temperatura muy amplios .

11. Habitats de los microorganismos estenotérmicos: temperaturas
constantes a lo largo del año

12. Habitats de los microorganismos euritérmicos: temperaturas
extremas a lo largo del año
Desierto de Utha
Desierto de Israel
Desierto de Sonora

13. TEMPERATURA
Temperaturas
>45 °C
aguas termales “Geiseres” (> 60°C)
yacimientos geotérmicos
océanos 2-­‐‑5 °C (75-­‐‑90%)
polos de la Tierra, Antártica
(14%) –0°C
iceberg (-­‐‑20°C)
Temperaturas
15 -­‐‑ 45°C
Temperaturas
<15 °C
volcanes marinos “Chimeneas
negras” (alcanzan hasta 350°C)
pozos petroleros
plantas industriales
compostas
aguas de albañal
tundra
La mayoría de organismos
de la biósfera.
Temperaturas de algunos ambiente naturales

14. PSICROFÍLICOS
v Tienen una temperatura óptima de
crecimiento menor 15°C.
v Sus enzimas trabajas eficientemente a estas
bajas temperaturas.
v Sintetizan enzimas de choque térmico (hsp).
v Son generalmente estenotérmicos.
v Hay un grupo de microorganismos
extremofílicos con óptimos de crecimiento a
< de 0 ° C.

15. v Regiones congeladas la mayor
parte del año: Ártico y del
Antártico.
v Fondos marinos.
v Suelos helados de la tundra.
Hábitat de los psicrofílicos
Los microorganismos se encapsulan dentro de la red cristalina, o
quedan aislados en "lágrimas" líquidas.

16. Hábitats de los psicrofílicos

17. Adaptaciones para crecer óptimamente
a temperaturas bajas
v Alto contenido de ácidos grasos insaturados en la
membrana.
v Procesos de transporte activos y eficientes en la
membrana.
v Enzimas eficientes con actividad óptima a bajas
temperaturas.
Uno de los mayores retos es mantener una fluidez de la
membrana para funcionar adecuadamente.
La composición en ácidos grasos de los fosfolípidos de sus membranas cambia con la
temperatura ambiental.
Estas bacterias cuentan con un sistema enzimático que trabaja en frío. Los genes que
codifican para estas enzimas son muy interesantes porque pueden tener muchas
aplicaciones biotecnológicas.

18. Adaptaciones en los psicrofílicos
v Membranas con altas proporción de ácidos
grasos insaturados que la hacen más fluida
en un ambiente frío o congelado.

19. Microorganismos psicrofílicos
v Bacterias: Pseudomonas,
Vibrio, Alcalígenes,
Arthrobacter, Moritella,
Polaromonas,
Photobacterium,
Cianobacteria (Oscillatoria).
v Arqueas
v Hongos
v Protozoos
Vibrio
v Algas: Chlamydomonas nivalis, diatomeas

20. Bacterias psicrofílicas
Polaromonas vacuolata
Temp. óptima: 4°C
Degrada naftaleno
Arriba de 12 °C deja de crecer.
Sus enzimas se están usando en
la elaboración de alimentos,
cuando es necesario impedir
que maduren, o cuando se desea
obtener fragancias que a
temperaturas más altas se
evaporarían.

21. Photobacterium profundum
Colonias luminiscentes de
Photobacterium kishitanii
Chlorophthalmus albatrossis
Producen bioluminiscencia debida la presencia de una
enzima denominada luciferasa que, en presencia de
oxígeno y ATP da lugar a luz
FMNH2 + R-­‐‑CHO + O2 ® FMN + R-­‐‑COOH + H2O + luz
Para la inducción de los genes de síntesis de luciferasa
es necesario un número alto de bacterias.
Este número lo detectan por aumento de una señal
(quorum sensing signal) que cada una emite.
La concentración es función de la concentración de
bacterias.
Bacterias psicrofílicas

22. Chlamydomonas nivalis
Algas psicrofílicas
Cada centímetro de nieve contiene millones de algas verde microscópicas, hasta
una profundidad de hasta 25 cm.
Existen hasta 350 tipos de algas capaces de sobrevivir a bajas temperaturas;
algunas tiñen la nieve de rojo, negro, marrón o amarillo.
La extraordinaria Chlamydomonas nivalis consigue darle el aspecto de
apetecible sandía.
Contienen un
pigmento carotenoide
fotoprotector rojo
(astaxantina).

23. Ancylonema nordenskioldii Mesotaenium breggrenii
Algas psicrofílicas
Raphidonema sp. Cylindrocystis brebissonii

24. Aplicaciones de las “Extremozimas“ PSICROFÍLICAS
v Fosfatasa alcalina: estudios de biología molecular.
v Proteasas, lipasas, celulasas y amilasas: adicionadas a
los detergentes biodegradables.
v Proteasas neutras: en la producción de lácteos.
v Pectinasas: enzimas que separan el jugo de la pulpa
v Lipasas y ácidos grasos poliinsaturados: aditivos de
alimentos y suplementos dietéticos.
v βcarotenos: antioxidantes en cosmetología y suplemento
en alimentos.
v Enzimas para la degradación de hidrocarburos.
v Proteína de nucleación de hielo: nieve artificial, en la
industria de los alimentos (helados).
Se espera tomar los genes de los microbios extremófilo e inserarlos por ingeniería
genética a las plantas para resistir la sequía, frío, la baja la presión del aire, etc.

25. PSICROTRÓFICOS O
PSICROFÍLICOS FACULTATIVOS
Descomponen los alimentos en el refrigerador.
v Pueden crecer a temperaturas menores
de 15 °C.
v Su temperatura óptima: 25 a 30 °C.
v Ejemplos:
Micrococcus
Corynebacterium
Streptococcus
Flavobacterium
Arthrobacter

26. MESOFÍLICOS
v Crecen a una temperatura óptima de:
20 -­‐‑ 42 °C.
v Están ampliamente distribuidos en
la naturaleza.
v Ejemplos: La mayoría de las
bacterias, hongos, protozoarios y
algas.

27. CRECIMIENTO A ALTAS TEMPERATURAS
°C

28. TERMOFÍLICOS
1. Tienen una temperatura óptima de crecimiento:
45 a 70 oC.
2. Se pueden aislar de: suelos (50 oC), pastura,
compostas, basureros, silos (60-­‐‑65oC),
fenómenos volcánicos, aguas termales.
3. Ejemplos:
a. bacterias
b. arqueas
c. hongos
d. algas
e. algunos protozoarios

29. Habitats de los termofílicos
compostas
Silos
Basureros
Aguas termales

30. v Alto contenido ácidos grasos saturados
en su membrana citoplasmática.
v Estabilidad de las proteínas con enzimas
eficientes.
v Solutos termoprotectores.
v Alto contenido G -­‐‑ C.
v DNA estabilizado.
v Sintetizan proteínas de choque térmico
(hsp).
Adaptaciones para crecer óptimamente
a altas temperaturas

31. Bacterias termofílicas
Su membrana es una bicapa de fosfolípidos con
una mayor cantidad ácidos grasos saturados
unidos por un enlace éster.
Los ácidos grasos saturados la hacen más rígida en
un ambiente caliente que la solubilizaría.

32. Proteínas termoestables
La proteína ferrodoxina de un hipertermofílico que solo se
degrada arriba de 134 °C, debido a la existencia de fuertes
enlaces intermoleculares.
v Tienen mayor
cantidad de residuos
hidrofóbicos,
v Más aminoácidos con
carga y menos
aminoácidos sin carga
ó polares, que en las
proteínas mesófilas.

33. Solutos termoprotectores
Grandes cantidades de moléculas pequeñas
que se acumulan el citoplasma de los
organismos halofílicos y termofílicos.

34. Proteínas de choque térmico (hsp).
*Se unen a polipéptidos recién sintetizados en los ribosomas, a proteínas que
atraviesan las membranas o a proteínas que se han desnaturalizado. También se
encargan de transportar los polipéptidos desnaturalizados hasta las
chaperoninas, donde se pliegan.
No todas las proteínas de choque
térmico son chaperoninas ni todas
las chaperoninas son proteínas de
estrés térmico.
Las chaperoninas* ejercen varios
efectos en el plegamiento de las
proteínas.
Tienen un papel protector y
evitan que las proteínas alcancen
un estado de agregación
irreversible.

35. Bacterias termofílicas
Bacillus stearothermophillus
B a c i l l u s , C l o s t r i d i u m , T h i o b a c i l l u s ,
Desulfotomaculum, Thermus, bacteria ácido-­‐‑láctica,
actinomicetos, espiroquetas y otros muchos
generos.
Bacillus infernus*
*Aislado de un pozo de Virginia en 1995, vive a casi 3000 m de profundidad
del suelo. Fue el primer miembro anaeróbico del género Bacillus. crece a 60
°C, es halotolerante (0.6 M) and alcalofílico ligero (pH 7.8).

36. Tiene una temperatura óptima de crecimiento de 70 °C. Fue
aislada en el Parque Nacional de Yellowstone.
Es fuente de la enzima polimerasa Taq utilizada en la reacción
en cadena de la polimerasa (PCR). Puso en marcha el campo de
la biología molecular,
Termus aquaticus
Bacterias termofílicas

37. Bacterias fototróficas termofílicas
(cianobacterias, bacterias púrpuras y verdes)
Chloroflexus aurantiacus
Bacteria verde No del S
Sinecococcus
Cianobacteria

38. Archaea termofílica y acidofílica
Picrophilus oshimae
Crece entre 45 y 65 °C con un óptimo de 60 °C y pH
<3.5 (óptimo pH = 0.7), y cierto crecimiento a pH = 0.
Fue aislado de solfataras en el norte de Japón.
Es termofílico moderado y fuertemente acidofílico.

39. Crece óptimamente a 55 °C y pH 2.
Sólo se ha encontrado en los montículos de carbón
residuos hecho por el hombre y en sistemas de
calefacción.
Es anaerobia facultativa y carece de una pared celular.
Fue descubierta por Brock.
Archaea termofílica y acidofílica
Thermoplasma acidophilum

40. Hongos termofílicos (compostas)
Rhizomucor pusillus
Humicola lanuginosus
Aspergillus fumigatus
El límite superior de los eucariotes esta en 60 – 65 ° C .

41. Cyanidium caldarium:
Alga roja eucariótica que crece a 50 °C y pH 3.3–3.5.
Coloniza las rocas húmedas: Nymph Creek (izq.) y
en Iron Spring (der.).
Alga termofílica acidofílica

42. TERMOFÍLICOS EXTREMOS E HIPERTERMOFÍLICOS
v Se pueden aislar de: manantiales calientes o
géiseres (93 – 100 o C), de chorros de vapor, suelos
volcánicos ó fumarolas y volcanes marinos (350 °C).
Ejemplos:
Temperatura óptima de
crecimiento de 70 a 80 oC.
Termofílicos
extremos
Hipertemofílicos
Temperatura óptima de
crecimiento > 90 oC.
bacterias
arqueas

43. Manantiales, fuentes termales y géiseres
Se encuentran con facilidad en la superficie terrestre, y se
caracterizn por agua caliente y vapor, muchas veces junto
con bajos pH y elementos nocivos como el mercurio y
otros metales pesados.
Fuentes hidrotermales submarinas*
A grande profundidades marinas, alcanzan 400 °C, pero el
agua se mantiene líquida como consecuencia de la alta
presión hidrostática; con un rango de pH entre 3 y 8, y una
química inusual.
Con formas de vida que van desde microbios a
invertebrados.
*son críticas para estudiar la evolución, su química es compatibles con la química prebiótica, además de que
sus habitantes hipertermófilos son biológica y filogenéticamente parecidos al último ancestro común.

44. Ambientes hipertermofílicos

45. Adaptaciones para crecer a temperaturas extremas
Bicapa de glicerol diéter
glicerol
difitanil-­‐‑glicerol-­‐‑diéter
Arqueas:
La membrana citoplasmática:
v Presencia lípidos isopreno unidos con enlace éter.
v Su membrana es una bicapa con enlace diéter.
v Son más rígidas, estables y resistentes al calor.

46. HIPERTERMOFÍLICOS
Arqueas hipertermofílicas acidofílicas.
v Tienen una membrana de una monocapa con
unidades de isopreno unidos por enlace tetraéter
y algunas con anillos cíclicos.
v Son las membrana más rígidas, estables y
resistentes al calor y al pH ácidos.
Enlace éter
tetrafitanil-­‐‑diglicerol-­‐‑tetraéter
Monocapa de diglicerol tetraéter
glicerol
glicerol
Enlace éter
Adaptaciones para crecer a temperaturas extremas

47. Adaptaciones de la membrana celular en arqueas

48. Presentan una DNA girasa reversa:
La enzima funciona para volver a enrollar el DNA y
no existe en ningún otro tipo de organismo .
Las altas temperaturas tienden a desenrollar el DNA y pierde su
actividad biológica.
Adaptaciones del DNA celular para estabilidad en
temperaturas extremas

49. Yellowstone Park

50. Arqueas hipertemofílicas
v Sulfolobus
v metanogenas
v Pyrococcus
v Thermococcus
La mayoría son quimilotótrofos: oxidan el S como fuente de energía y
como aceptor de e-­‐‑ para la respiración en lugar de O2 (anaeróbicos).
Crecen a pH < 2, acidifican su propio entorno, oxidan S° a sulfuro y a
SO4
= (ácido sulfúrico).

51. v Crece en manatiales
ricos en S hasta 90 °C y
pH = 1.
v Las células son más o
menos esféricas, realiza
respiración aeróbia.
Sulfulobus solfataricus
Sulfulobus acidocaldarius
Sulfolobus solfataricus
ue la primera arquea hipertermofílica descubierta por Thomas D. Brock de la
University of Wisconsin en 1970.

52. Methanococcus jannaschii, arquea productora de metano, crece
50-86 °C, es anaerobia estricta y autotrófica.
Fue aislada en 1983 del fondo del océano (2400 m 230 atm.) de un
“respiradero blanco” del Pacífico (costas del Baja California).
METANÓGENAS
Methanocaldococcus jannaschii
M. jannaschii contiene archaeol
macrocíclico, un derivado polar
diferente a los lípidos de la membrana.
Tiene un vínculo adicional al final de
su cadena lateral.

53. Pyrodictium y Pyrolobus
Hipertermófilos de volcanes submarinos con
temperatura óptima de crecimiento es >100°C.
Pyrolobus fumari un quimiolitotrofo nitrato reductor.
Con el récord de la temperatura más alta, hasta 113°C
y no crece a <90°C. Habita en las paredes de las
chimeneas marinas.
Pyrodictium
Pyrolobus fumarii

54. Importancia biotecnológica de los hipertemofílicos
v Producción de extremozimas:
-­‐‑ Taq polimerasa (Thermus aquaticus)
-­‐‑ Pfu polimerasa (Pyrococcus furiosus)
-­‐‑ amilasas,
-­‐‑ xilanasas,
-­‐‑ lipasas.
v Obtención de metabolitos por fermentación:
-­‐‑ Producción de ácido acético.
-­‐‑ Producción de ácido láctico.
v Producción de metabolitos secundarios:
-­‐‑ antibióticos
-­‐‑ pigmentos: carotenoides.

55. Aplicaciones de las “Extremozimas"
TERMOFÍLICOS E HIPERTERMOFÍLICOS:
v Xilanasas: para el blanqueado del papel y tela.
v Lipasas, pululanasas y proteasas: se adicionan a los
detergentes.
v Proteasas: obtener aminoácidos para la producción de
queratinas y suplementos de alimentos.
v DNA polimerasas: en ingeniería genética (PCR).
v Amilasas: obtener fructosa para edulcorantes, en
panificación y elaboración de cerveza
Se espera tomar los genes de estos microorganismos, insertarlos a las plantas
para resistir la sequía, frío, la baja la presión del aire.