Nació el 11 de diciembre de 1843 en Prusia (en Clausthal-Zellerfeld, actualmente Baja Sajonia, Alemania), fue el tercero de 13 hermanos. Después de terminar sus estudios escolares con gran brillantez, Koch comienza a estudiar medicina en 1862 en la Universidad de Göttingen, graduándose en 1866 médico en Hamburgo y en Lagenhagen. Su carrera fue temporalmente interrumpida por la guerra franco-prusiana. Su primer descubrimiento fue el del bacilo de ántrax (agente del carbunco). En aquella época, Louis Pasteur había lanzado ya su teoría sobre el papel de los gérmenes en la enfermedad, pero esta había sido rechazada por importantes patólogos incluyendo Virchow y Billroth. Fue precisamente el trabajo de Koch sobre el ántrax el que convenció a los escépticos que muchas enfermedades contagiosas se debían a microorganismos. En 1880 fue nombrado miembro del Departamento de Salud Imperial de Berlín, realizando aquí su descubrimiento más genial, el del bacilo de la tuberculosis (Bacilo de Koch).
El trabajo de Koch consistió en aislar el microorganismo causante de una enfermedad y hacerlo crecer en un cultivo puro. El cultivo puro fue utilizado para inducir la enfermedad en animales de laboratorio, en su caso la cobaya, aislando de nuevo el germen de los animales enfermos y comparándolo con el germen original.
En la India, aísla e identifica en Calcuta el bacilo del cólera. Entre 1891 y 1904 fue director del Instituto de Enfermedades Infecciosas de Berlín.
Recibió el Premio Nobel de Fisiología y Medicina en 1905 por sus trabajos sobre la tuberculosis.
Probablemente tan importante como su trabajo en la tuberculosis, sean los llamados Postulados de Koch que establecen que para que un organismo sea la causa de una enfermedad.
El organismo debe estar siempre presente en los animales que sufran la enfermedad y no en individuos sanos.
El organismo debe cultivarse en cultivo axénico o puro fuera del cuerpo del animal.
Cuando dicho cultivo se inocula a un animal susceptible, debe iniciar en él los síntomas característicos de la enfermedad.
El organismo debe aislarse nuevamente de estos animales experimentales y cultivarse nuevamente en el laboratorio, tras lo cual debe mostrar las mismas propiedades que el microorganismo original.
Murió el 27 de mayo de 1910 por un ataque al corazón en Baden-Baden a la edad de 66 años.
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