Ejercicio resuelto de Bacterias · Biología · Cataluña · 2021

Unos alumnos de bachillerato buscaron información sobre el pintor italiano Caravaggio. Una alumna encontró que había muerto por sífilis, pero otra encontró que había sido por una infección causada por la bacteria Staphylococcus aureus.
Para averiguar si las dos informaciones eran coherentes, buscaron más información y encontraron lo siguiente:
Treponema pallidum. La sífilis es una infección causada por Treponema pallidum, una bacteria espiroqueta, aerobia y gramnegativa, que mide de 5 a 20 micrómetros (µm) de longitud y 0,5 µm de diámetro. Es quimioheterótrofa, ya que utiliza una gran variedad de glúcidos y aminoácidos como fuente de energía y carbono. La sífilis se trata con penicilina porque Treponema pallidum no suele ser resistente a este antibiótico.
Staphylococcus aureus. Staphylococcus aureus es una bacteria grampositiva y anaerobia facultativa. Tiene forma de coco y un diámetro de 500 a 1 500 nanómetros (nm). Cuando se divide origina una agrupación de células. Puede hacer fermentación láctica o respiración aeróbica. Es un patógeno que provoca muchas infecciones y que es peligroso debido a la resistencia que presenta a diversos antibióticos. Más del 80 % de las cepas actuales son resistentes a la penicilina.

1. Aprovechando la investigación, la profesora de biología ha propuesto a la clase hacer los ejercicios siguientes: [1 punto]
a) Según lo que dice el texto, identifique las imágenes de cada una de estas bacterias y escriba dos justificaciones para cada caso.

	Imagen de la izquierda	Imagen de la derecha ¿A qué bacteria corresponde esta imagen?		Justificación 1		Justificación 2

b) Identifique las estructuras de las envolturas de estas bacterias. Diga a qué bacteria corresponde cada una de estas imágenes y justifique la respuesta.

Imagen A (izquierda) e imagen B (derecha).

Escriba el nombre de las estructuras señaladas con los números 1, 2 y 3: — 1: — 2: — 3: ¿A qué bacteria corresponde la imagen A? Justificación: ¿A qué bacteria corresponde la imagen B? Justificación:

2. El antibiograma es una técnica microbiológica que sirve para determinar la sensibilidad de una cepa bacteriana a diferentes antibióticos. La técnica consiste en sembrar bacterias de la misma cepa de manera homogénea en una placa de Petri. A continuación, se impregnan pequeños discos de papel con diferentes tipos de antibióticos y se colocan sobre la placa un poco separados entre ellos. La placa de Petri se deja en la estufa de cultivos y al cabo de un par de días se puede ver si hay o no crecimiento bacteriano. El antibiótico se difunde desde su disco de papel y va perdiendo concentración a medida que se distancia del disco. Si las bacterias son sensibles a él, se puede ver una zona sin bacterias (halo de inhibición) alrededor del disco. El halo de inhibición será más o menos grande según el grado de sensibilidad de la bacteria al antibiótico. Esta técnica permite ver cuál es el antibiótico más adecuado para tratar cada infección. [1 punto]

a) La imagen anterior corresponde a un antibiograma, en el que cada antibiótico está indicado con un número. A partir de esta imagen, complete las frases siguientes:

La bacteria de la placa es resistente a los antibióticos números: La bacteria de la placa es sensible a los antibióticos números: El antibiótico número ___ es el que iría mejor para tratar una infección causada por la bacteria que se ha sembrado en la placa porque:

b) Revise la información inicial sobre T. pallidum y S. aureus. Si ponemos estas bacterias en placas de Petri sin antibióticos ni oxígeno, ¿cuál de las dos especies crecería? Justifique la respuesta.

3. En 2002 se aisló de un paciente una cepa de S. aureus resistente a la vancomicina. Al analizarla, se vio que tenía el gen vanA, que le confiere resistencia a este antibiótico. Del mismo paciente se aisló una cepa de otra bacteria (Enterococcus) que también era resistente a la vancomicina. Se comprobó que esta cepa de Enterococcus era la que había transmitido, por conjugación, el gen vanA a S. aureus.
Explique el mecanismo de conjugación por el cual S. aureus adquirió la resistencia a la vancomicina. [1 punto]

$\textbf{1. Aprovechando la investigación, la profesora de biología ha propuesto a la clase hacer los ejercicios siguientes: (1 punto)}$

$\textbf{a) Según lo que dice el texto, identifique las imágenes de cada una de estas bacterias y escriba dos justificaciones para cada caso.}$

	Imagen de la izquierda	Imagen de la derecha ¿A qué bacteria corresponde esta imagen?	Staphylococcus aureus	Treponema pallidum Justificación 1	Por la forma. Las células son esféricas, es decir, cocos, tal como dice el texto de S. aureus, y aparecen además agrupadas en racimos, que es exactamente lo que describe cuando afirma que al dividirse origina una agrupación de células. Ninguna de las dos cosas encaja con una espiroqueta.	Por la forma. Las células son filamentos largos, finos y enrollados en hélice, que es lo propio de una espiroqueta, tal como el texto describe para T. pallidum. Un coco no puede tener ese aspecto. Justificación 2	Por el tamaño. Tomando como referencia la barra de escala de $2\ \mu\text{m}$, cada célula mide menos de la mitad de esa barra, en torno a $1\ \mu\text{m}$ o menos de diámetro, lo que concuerda con los $500$ a $1\,500\ \text{nm}$ que indica el texto, es decir, de $0{,}5$ a $1{,}5\ \mu\text{m}$.	Por el tamaño. Comparando con la barra de $2\ \mu\text{m}$, cada filamento mide varias veces esa longitud, del orden de $10$ a $20\ \mu\text{m}$, y es en cambio finísimo, de unas décimas de micrómetro de grosor. Coincide con los $5$ a $20\ \mu\text{m}$ de longitud y $0{,}5\ \mu\text{m}$ de diámetro que da el texto.

$\textbf{b) Identifique las estructuras de las envolturas de estas bacterias. Diga a qué bacteria corresponde cada una de estas imágenes y justifique la respuesta.}$

Cuestión	Respuesta Escriba el nombre de las estructuras señaladas con los números 1, 2 y 3	1: la membrana plasmática, una bicapa de fosfolípidos con proteínas embebidas, que es la envoltura más interna y limita el citoplasma. 2: la pared celular, formada por peptidoglicano o mureína. 3: la membrana externa, otra bicapa lipídica, rica en lipopolisacáridos, que solo aparece en la imagen A. ¿A qué bacteria corresponde la imagen A?	A Treponema pallidum. Justificación: la imagen A tiene tres capas, y la más externa es una segunda membrana con lipopolisacáridos, por debajo de la cual queda una capa de peptidoglicano muy fina. Esa es la envoltura característica de una bacteria gramnegativa, y el texto dice que T. pallidum lo es. La capa fina de peptidoglicano es la que explica que en la tinción de Gram pierda el cristal violeta al lavarla con alcohol. ¿A qué bacteria corresponde la imagen B?	A Staphylococcus aureus. Justificación: la imagen B tiene solo dos capas, la membrana plasmática y, por encima, una capa de peptidoglicano mucho más gruesa, con varias láminas superpuestas, sin ninguna membrana externa. Esa es la envoltura de una bacteria grampositiva, y el texto dice que S. aureus lo es. La pared gruesa es la que retiene el complejo de cristal violeta y yodo y hace que se tiña de violeta.

$\textbf{2. El antibiograma es una técnica microbiológica que sirve para determinar la sensibilidad de una cepa bacteriana a diferentes antibióticos. (1 punto)}$

$\textbf{a) A partir de esta imagen, complete las frases siguientes:}$

Cuestión	Respuesta La bacteria de la placa es resistente a los antibióticos números	2, 4, 5 y 7. Alrededor de sus discos no se aprecia ninguna zona clara: las bacterias han crecido hasta el borde mismo del papel, de modo que el antibiótico no las ha afectado. La bacteria de la placa es sensible a los antibióticos números	1, 3, 6 y 8. Alrededor de estos cuatro discos se ve una zona oscura sin crecimiento bacteriano, que es el halo de inhibición. El antibiótico número ___ es el que iría mejor para tratar una infección causada por la bacteria que se ha sembrado en la placa porque	El número 3, porque su halo de inhibición es claramente el mayor de los cuatro. Como el antibiótico se difunde desde el disco y va perdiendo concentración con la distancia, un halo grande significa que la bacteria deja de crecer incluso donde la concentración es muy baja, es decir, que es muy sensible a él. Un halo pequeño, en cambio, indica que solo lo detiene una concentración alta. En la práctica, el antibiótico con mayor halo es el que permite tratar la infección con dosis menores y con más margen de seguridad.

$\textbf{b) Si ponemos estas bacterias en placas de Petri sin antibióticos ni oxígeno, ¿cuál de las dos especies crecería? Justifique la respuesta.}$

Crecería Staphylococcus aureus, y no crecería Treponema pallidum.

La razón está en el tipo metabólico que el texto atribuye a cada una. Treponema pallidum es aerobia, es decir, necesita oxígeno como aceptor final de electrones de su cadena de transporte electrónico. Sin oxígeno esa cadena se detiene, los coenzimas reducidos no se reoxidan y la bacteria no puede obtener energía: no crecería.

Staphylococcus aureus es anaerobia facultativa, y el texto lo confirma al decir que puede hacer fermentación láctica o respiración aeróbica. Cuando hay oxígeno lo utiliza, porque la respiración es mucho más rentable, y cuando no lo hay cambia de metabolismo y recurre a la fermentación láctica, que no lo necesita: la glucólisis le da dos ATP por molécula de glucosa y la reducción del piruvato a ácido láctico regenera el $\text{NAD}^{+}$ que la glucólisis consume. Crecería, por tanto, aunque más despacio y con menos rendimiento.

$\textbf{3. Explique el mecanismo de conjugación por el cual S. aureus adquirió la resistencia a la vancomicina. (1 punto)}$

La conjugación es uno de los tres mecanismos de transferencia horizontal o lateral de genes entre bacterias, junto con la transformación y la transducción, y el único que exige contacto físico entre las dos células.

En este caso la bacteria donadora fue la cepa de Enterococcus, que llevaba el gen vanA en un plásmido, una molécula de DNA circular independiente del cromosoma bacteriano. Además del gen de resistencia, ese plásmido contiene los genes necesarios para fabricar el pilus sexual, que es lo que la convierte en donadora.

El proceso se desarrolla así. La donadora emite un pilus sexual, un apéndice tubular hueco, que se engancha a la superficie de la célula receptora, en este caso una bacteria de S. aureus, y al retraerse acerca las dos células hasta ponerlas en contacto. Se forma entonces un puente citoplasmático entre ambas.

El plásmido de la donadora se abre por un punto y una de sus dos cadenas empieza a pasar a la receptora a través del puente, al tiempo que se va replicando. En la donadora se sintetiza la cadena complementaria de la que se ha ido, y en la receptora se completa la que ha llegado, de modo que al final las dos bacterias tienen un plásmido íntegro. La conjugación no es un reparto sino una copia: la donadora no pierde nada.

A partir de ese momento la célula de S. aureus lleva el gen vanA, lo transcribe y lo traduce, y fabrica la proteína que le confiere resistencia a la vancomicina. Además transmitirá el plásmido a toda su descendencia por bipartición, y podrá a su vez actuar como donadora frente a otras bacterias.

Este mecanismo explica un hecho preocupante: la resistencia no tiene por qué aparecer por mutación dentro de una especie, sino que puede saltar entre especies e incluso entre géneros distintos, y hacerlo de golpe y ya perfeccionada. Es la razón de que las resistencias se propaguen mucho más deprisa de lo que cabría esperar de la sola tasa de mutación.