Exercicis: Cultiu i control de microorganismes

Què és un medi de cultiu i quines condicions (nutrients, temperatura, pH, oxigen) es controlen en cultivar bacteris al laboratori? Indica la diferència entre un medi sòlid i un de líquid.

Diferencia esterilització, desinfecció i antisèpsia, i posa un exemple de situació (quiròfan, taulell de cuina, ferida superficial) en què s'aplica cadascuna.

Què és la transferència genètica horitzontal i en què es diferencia de l'herència «vertical» de progenitors a descendència? Anomena els seus tres mecanismes en bacteris.

Explica què és la tècnica asèptica de treball al laboratori de microbiologia i raona el sentit de dues pràctiques concretes: flamejar la nansa de sembra fins a posar-la al roig i treballar a prop del bec Bunsen.

Diferencia un antibiòtic bactericida d'un de bacteriostàtic, posa un exemple de cada tipus (penicil·lina enfront de tetraciclines) i explica què passa amb la població bacteriana quan se suspèn cadascun.

Què és un antibiograma i com es fa (discs d'antibiòtic sobre la placa sembrada)? Explica quina informació aporta al metge (sensible, intermedi, resistent) i per què no s'hauria de receptar un antibiòtic sense aquesta informació quan és possible obtenir-la.

Els virus no creixen en plaques d'agar. Raona per què (què els falta per multiplicar-se pel seu compte?) i indica quins sistemes utilitzen els laboratoris per cultivar-los (cultius cel·lulars, ous embrionats).

Cita quatre mètodes de control microbià en la indústria alimentària (pasteurització, esterilització UHT, refrigeració i congelació, salaó o curació) i explica el principi en què es basa cadascun (mata, inhibeix o dificulta el creixement?).

Explica, aplicant la selecció natural, com sorgeix una població bacteriana resistent a un antibiòtic quan el tractament s'abandona abans d'hora, i per què l'antibiòtic no «crea» la resistència.

La gràfica representa la corba de creixement d'un cultiu bacterià tancat, amb les seves quatre fases assenyalades amb números (1 a 4). Anomena cada fase i explica què passa amb els nutrients i els residus en cadascuna.

Descriu els tres mecanismes de transferència genètica horitzontal bacteriana —conjugació, transformació i transducció— indicant quin vehicle transporta l'ADN en cada cas i quin intervé en la difusió de resistències.

Explica en què consisteix la pasteurització (temperatura i temps, per exemple $72\ \text{°C}$ durant $15$ segons), per què no esterilitza l'aliment (què sobreviu?) i quines malalties històriques va ajudar a controlar a la llet (tuberculosi, brucel·losi).

Un bacteri es divideix cada $20$ minuts. Partint de $1\,000$ cèl·lules en fase exponencial, calcula quantes n'hi haurà al cap de dues hores (quantes generacions hi caben?). Després, raona per què el creixement exponencial no es pot mantenir en un cultiu tancat (quins factors el frenen?).

Molts antibiòtics són productes naturals de bacteris del sòl (estreptomicets). Explica quin avantatge evolutiu dona al seu productor fabricar un antibiòtic (guerra química pels nutrients) i analitza per què el descobriment de nous antibiòtics s'ha alentit en les últimes dècades.

Compara l'eficàcia de lleixiu, alcohol al $70\ \%$ i sabó enfront de bacteris i enfront de virus amb embolcall. Explica per què l'alcohol al $70\ \%$ desinfecta millor que l'alcohol gairebé pur (paper de l'aigua en la desnaturalització de proteïnes i en la penetració) i què fa exactament el sabó a un embolcall víric lipídic.

Un bioreactor industrial produeix iogurt, cervesa o insulina a gran escala. Explica quins paràmetres es controlen de manera contínua (temperatura, pH, oxigen dissolt, agitació, escuma) i raona què passa amb el producte si se'n descontrolen dos a la teva elecció.

A l'UCI d'un hospital es detecta un brot per Klebsiella pneumoniae resistent a carbapenèmics que afecta quatre pacients ingressats amb catèters venosos i ventilació mecànica assistida.

1. a) Analitza la cadena epidemiològica del brot: identifica la font probable, el mecanisme de transmissió més plausible (vehicle i vector passiu) i justifica quins factors fisiològics fan aquests pacients especialment vulnerables.
2. b) Dissenya un pla de xoc amb mesures de control classificades per ordre de prioritat (aïllament i barreres físiques, cribratge actiu i desinfecció de fòmits), justificant biològicament per què la higiene de mans entre pacients és més crítica per frenar la transmissió que la fumigació ambiental.
3. c) Avalua críticament la proposta següent: «Per erradicar el brot d'arrel, administrarem colistina profilàctica a tots els pacients ingressats a l'UCI, tinguin o no símptomes». Prediu les conseqüències selectives i evolutives d'aquesta mesura a mitjà termini.

Dissenya un experiment per comparar l'eficàcia de dos desinfectants enfront d'un bacteri de la pell: plaques, controls, mesurament d'halos d'inhibició i criteris per concloure quin és més eficaç, indicant les variables que mantindries constants.

Un pacient diagnosticat de grip insisteix que li receptin amoxicil·lina «per si la infecció baixa al pit», mentre que un ramader subministra tetraciclina en dosis baixes contínues a l'aigua de beguda de porcs sans per «accelerar-ne l'engreix i prevenir diarrees».

1. a) Rebat des de la base bioquímica i citològica l'exigència del pacient: justifica per què els antibiòtics betalactàmics són totalment innocus per als virus i prediu quin impacte selectiu immediat causarà aquesta amoxicil·lina sobre la microbiota comensal del mateix pacient.
2. b) Interpreta la pràctica ramadera descrita des de la perspectiva de la selecció natural: explica per què les concentracions subterapèutiques i contínues representen l'escenari òptim per seleccionar bacteris resistents enfront de les dosis letals completes.
3. c) Explica els mecanismes de transferència horitzontal (conjugació, transformació i transducció) mitjançant els quals un gen de resistència generat en un bacteri comensal del bestiar pot acabar en una soca patògena humana en un entorn hospitalari.

Després d'un banquet escolar, 48 comensals desenvolupen gastroenteritis aguda per Salmonella enterica. En la inspecció es prenen mostres dels aliments consumits (maionesa casolana, pollastre rostit i pastís) i del personal de cuina. El laboratori realitza l'aïllament en placa i analitza el perfil genètic mitjançant electroforesi en gel de camp polsat (PFGE).

1. a) El cultiu resulta positiu per a S. enterica tant a la maionesa com en restes de pollastre cru del marbre de la cuina. Tanmateix, el patró de bandes d'ADN dels malalts coincideix al 100 % amb l'aïllat a la maionesa i difereix de l'aïllat al pollastre cru. Interpreta aquest resultat i dedueix l'origen de la intoxicació, justificant per què la identificació molecular és indispensable enfront del simple cultiu taxonòmic d'espècie.
2. b) La maionesa es va elaborar amb ous a les 7:30 h i va romandre a temperatura ambient (24,0 °C) fins al seu consum a les 14:30 h (7 hores en total). Si la contaminació inicial al lot va ser de 10 bacteris/g i el temps de duplicació a aquesta temperatura és de 30 minuts, calcula la concentració teòrica final per gram i justifica com hauria modificat el risc mantenir el plat refrigerat a 4,0 °C des de la seva elaboració.
3. c) Dissenya un sistema de punts de control crític (APPCC) per a la cuina del centre que previngui simultàniament la contaminació biològica inicial, la contaminació creuada i la proliferació microbiana.

En un taller de conserves casolanes, dos grups elaboren col fermentada (xucrut), la conservació de la qual depèn de la microbiota làctica epífita (Leuconostoc i Lactobacillus):

• Grup 1: Talla la col, afegeix un 2,5 % de sal comuna en pes, premsa la barreja fins que el líquid cobreix per complet el vegetal i segella el pot impedint l'entrada d'aire, mantenint-lo a 20,0 °C. Al cap de tres setmanes el preparat té un pH de 3,6 i una olor àcida fresca.

• Grup 2: Talla la col, no afegeix sal per «fer-lo més cardiosaludable», deixa el pot obert a l'aire i afegeix aigua calenta a 45,0 °C. Al cap de 4 dies, el pH es manté en 6,2, hi ha floridura a la superfície i desprèn una olor fètida.

1. a) Justifica el doble paper selectiu del 2,5 % de sal i de la immersió anòxica en el procediment del Grup 1 enfront de bacteris competidors d'origen tel·lúric i enterobacteris.
2. b) Explica el canvi metabòlic que produeix la caiguda del pH fins a 3,6 i raona per què aquest descens inhibeix el desenvolupament de les endòspores de Clostridium botulinum, un bacil anaerobi estricte que tolera l'anoxigènia però és sensible a l'acidesa.
3. c) Prediu quines fallades bioquímiques i ecològiques va provocar el protocol del Grup 2 i per què la combinació de temperatura a 45,0 °C i presència d'oxigen va impedir la fermentació làctica espontània.

La colistina és un antibiòtic polipeptídic que desestabilitza la membrana externa de bacteris gramnegatius i que durant anys es va considerar un «últim recurs» mèdic. El 2015 es va detectar en granges porcines el gen mcr-1, capaç de conferir resistència a la colistina, localitzat en un plasmidi conjugatiu.

1. a) Justifica per què la troballa del gen mcr-1 en un plasmidi va generar una alarma sanitària mundial incomparablement superior que si la resistència es degués a una mutació puntual en el cromosoma bacterià.
2. b) Durant dècades, la colistina es va administrar en dosis baixes contínues en el bestiar porcí com a promotor del creixement. Explica des de la teoria de la selecció natural com aquesta pràctica zootècnica va crear les condicions idònies per a la selecció i fixació del gen mcr-1.
3. c) Recolzant-te en l'estratègia «Una sola salut» (One Health), argumenta per què la legislació va prohibir l'ús preventiu de la colistina en ramaderia i rebat la postura d'un productor que al·legui que «els bacteris de l'intestí del bestiar no tenen manera d'arribar als pacients d'una UCI humana».

A la unitat d'esterilització d'un hospital han de processar:

1) Caixes d'instrumental quirúrgic d'acer inoxidable (fòrceps, separadors).

2) Laparoscopis i òptiques endoscòpiques amb fibra de vidre i plàstics termosensibles (temperatura màxima tolerada: 55,0 °C).

3) Xeringues i catèters plàstics d'un sol ús envasats massivament en caixes de cartó tancades.

1. a) Assigna i justifica el mètode òptim per a cada material entre: autoclau de vapor a pressió, cambra de gas d'òxid d'etilè i radiació ionitzant gamma, detallant per què els mètodes descartats en cada cas serien menys adequats (farien malbé el material, no hi penetrarien adequadament o resultarien menys pràctics o segurs).
2. b) Durant un cicle d'autoclau (134,0 °C durant 5 minuts), el termòmetre i el manòmetre van registrar els valors prescrits i la cinta adhesiva testimoni externa va virar de color correctament. No obstant això, en incubar l'indicador biològic (ampolleta amb 10^6 endòspores de Geobacillus stearothermophilus col·locada al centre de la càrrega) a 56,0 °C durant 24 hores, el brou canvia de porpra a groc i presenta terbolesa.

Interpreta el que ha passat, decideix raonadament si es pot autoritzar l'ús de l'instrumental i justifica per què el control biològic preval sobre els controls físics i químics.

Un pacient amb fibrosi quística pateix una infecció pulmonar crònica per un cep de Pseudomonas aeruginosa panresistent (resistent a tots els antibiòtics disponibles). L'equip mèdic es planteja l'ús compassiu de fagoteràpia.

1. a) Al laboratori disposen de dos tipus de bacteriòfags: el fag ΦA (estrictament lític) i el fag ΦB (fag lisogènic o atemperat). Justifica quin dels dos s'ha de seleccionar obligatòriament per al tractament i quin risc clínic greu suposaria administrar el fag lisogènic.
2. b) Després d'administrar una dosi inhalada de fags lítics, la càrrega bacteriana en esput descendeix en 72 hores de 8,0 · 10^7 a 3,0 · 10^2 UFC/mL, mentre que el títol de fags augmenta d'1,0 · 10^5 a 4,5 · 10^9 UFP/mL. Compara aquesta cinètica amb la farmacocinètica d'un antibiòtic químic tradicional i dedueix quin avantatge presenta el bacteriòfag respecte a la dosificació en el focus infecciós.
3. c) Al dia 14, la càrrega bacteriana del pacient repunta a 6,0 · 10^6 UFC/mL. L'anàlisi demostra que els bacteris supervivents han perdut el receptor de membrana OprM que el fag utilitzava per fixar-se. Explica per què el disseny terapèutic basat en un «còctel» de diversos fags dirigits a receptors cel·lulars independents minimitza el fracàs del tractament enfront de l'ús d'un sol cep viral.

Repte del tema. És la teva cuina un medi de cultiu ideal per a patògens o un ambient hostil digne d'un arqueobacteri extremòfil? Dissenya un protocol de bioseguretat alimentària per a casa teva.

1. Presa de dades: Mesura amb un termòmetre la temperatura interior de la teva nevera i del marbre de la cuina, o consulta la temperatura actual del teu municipi al web de l'AEMET. Registra ambdós valors (per exemple, $4,1\text{ }^\circ\text{C}$ i $21,8\text{ }^\circ\text{C}$).

2. Anàlisi microbiana: Elabora una taula que compari el rang òptim de proliferació d'eubacteris mesòfils comuns amb les adaptacions d'arqueobacteris extremòfils (psicròfils o termòfils), deduint quins microorganismes prosperarien a cada zona mesurada.

3. Estratègies de control: Proposa tres mesures de control del creixement bacterià per a aliments quotidians (com ara calor a més de $72,5\text{ }^\circ\text{C}$, salaó osmòtica o refrigeració), explicant com alteren la viabilitat de la paret o membrana bacteriana.

4. Producte final: Redacta un breu informe d'una pàgina que reculli les teves mesuraments, la taula comparativa eubacteris-arqueobacteris i el teu protocol raonat de conservació.

Es valorarà:

• Registre rigorós de dades tèrmiques reals emprant la coma decimal.

• Diferenciació biològica correcta entre la fisiologia d'eubacteris i arqueobacteris.

• Justificació científica dels mètodes de cultiu i control microbià aplicats.