17: Genética Microbiana

Hablemos de sexo. Sexo bacteriano. ¡Ja! Eso va a ser difícil, ya que las bacterias no tienen relaciones sexuales. Lo que presenta un problema real para las bacterias (y también para las arqueas) — ¿cómo obtienen la variabilidad genética que necesitan? Podrían necesitar un nuevo gen para descomponer una fuente inusual de nutrientes o degradar un antibiótico amenazando con destruirlos; adquirir el gen podría significar la diferencia entre la vida y la muerte. Pero, ¿de dónde vendrían estos genes? ¿Cómo las bacterias se apoderarían de ellos? Vamos a explorar los procesos que utilizan las bacterias para adquirir nuevos genes, los mecanismos conocidos como Transferencia Génica Horizontal (HGT).

Conjugación

La conjugación es el proceso mediante el cual una bacteria donante transfiere una copia de un plásmido a una bacteria receptora, a través de un pilus. El proceso requiere contacto célula a célula. La célula donante (F+) tiene un plásmido conjugativo, una pieza extracromosómica de ADNbc que codifica las proteínas necesarias para hacer un filamento filiforme conocido como pilus. El pilus se usa para unirse a la célula receptora (F-), acercándola a la célula donante. Se cree que luego se abre un canal entre las dos células, permitiendo que una copia de ADNss del plásmido entre en las células receptoras. Ambas células luego hacen la copia complementaria al ADNss, dando como resultado dos células F+ capaces de conjugación.

Conjugación. Por Adenosina (Obra propia) [CC BY-SA 3.0], vía Wikimedia Commons

Transformación

El proceso de transformación también permite que una célula bacteriana adquiera nuevos genes, pero no requiere el contacto célula a célula. En este proceso los nuevos genes se adquieren directamente del entorno. Por lo general, el proceso requiere una célula donante que en algún momento lisó y liberó ADN desnudo al ambiente. La célula receptora es aquella que es capaz de extraer el ADN del ambiente e incorporarlo a su propio genoma, donde se describe a la célula como competente.

Existen medios mecánicos y químicos para alentar a una célula a recoger ADN del medio ambiente, pero la competencia natural se determina genéticamente. El proceso suele ocurrir al final de la fase exponencial de crecimiento o inicio de la fase estacionaria, en presencia de alta densidad celular y nutrientes limitados. Bajo estas condiciones se fabrican proteínas específicas que incluyen proteínas de unión a ADN (translocasa de ADN), endonucleasas y proteínas de canal transmembrana. Las células Gram negativas también producen una autolisina de la pared celular, para transportar el ADN a través de la membrana externa.

Adquisición de Genes vía Transformación.

Piezas aleatorias de ADN se unen a receptores en el exterior de la célula y luego son transportadas a la célula por la translocasa de ADN, a través del canal transmembrana, una gran estructura que a menudo involucra numerosas proteínas diferentes. Se puede usar una endonucleasa para degradar una cadena de ADNbc, si solo el ADNss puede pasar a la célula, o para escindir el fragmento de ADN en tamaños más pequeños.Una vez dentro de la célula, el ADN debe ser incorporado al cromosoma bacteriano por RecA (ver Recombinación Molecular a continuación), para el genes a expresar.

Transducción

La transducción implica el uso de un virus, un bacteriófago, para actuar como un conducto para transportar genes bacterianos de una célula a otra, negando así la necesidad de contacto célula a célula. Existen dos tipos diferentes de transducción: transducción generalizada y transducción especializada.

Transducción Generalizada

En la transducción generalizada, una célula huésped bacteriana se infecta con un bacteriófago virulento o templado que participa en el ciclo lítico de replicación. Después de los tres primeros pasos de replicación (absorción, penetración y síntesis), el virus entra en la etapa de ensamblaje, durante la cual se producen viriones completamente formados. Durante esta etapa, piezas aleatorias de ADN bacteriano se empaquetan erróneamente en una cabeza de fago, lo que resulta en la producción de una partícula transductora. Si bien estas partículas no son capaces de infectar una célula en el sentido convencional, pueden unirse a una nueva célula hospedadora bacteriana e inyectar su ADN en su interior. Si el ADN (de la primera célula huésped bacteriana) se incorpora al cromosoma del receptor, los genes pueden expresarse.

Transducción Generalizada.

Transducción Especializada

La transducción especializada sólo puede ocurrir con bacteriófagos templados, ya que implica el ciclo lisogénico de replicación. El bacteriófago se une aleatoriamente a una célula hospedadora bacteriana, inyectando ADN viral en su interior. El ADN se integra en el cromosoma de la célula huésped, formando un profago. En algún momento se produce la inducción, donde el profago es extirpado del crosomsoma bacteriano. En la transducción especializada, la escisión se realiza incorrectamente y también se extirpa una porción de genes bacterianos inmediatamente adyacentes a los genes virales. Dado que este ADN se usa como molde para la etapa de síntesis, todas las copias serán un híbrido de ADN viral y bacteriano, y todos los viriones resultantes contendrán ADN tanto viral como bacteriano.

Una vez lisada la célula, los viriones se liberan para infectar otras células hospedadoras bacterianas. Cada virión se unirá a la célula hospedadora e inyectará en el híbrido de ADN, que podría incorporarse al cromosoma huésped, si se forma un profago. En este punto, la segunda célula huésped bacteriana puede contener su propio ADN, ADN de la célula huésped bacteriana anterior y ADN viral.

Recombinación molecular

En cada uno de los casos de HGT, el proceso solo es exitoso si los genes pueden ser expresados por la célula alterada. En conjugación, los genes se localizan en un plásmido, bajo el control de promotores en el plásmido. En la transformación y transducción, donde el ADN desnudo está obteniendo acceso a la célula, el ADN podría ser fácilmente descompuesto por la célula sin que se produzca expresión genética. Para que los genes se expresen, el ADN debe recombinarse con el cromosoma del receptor.

El mecanismo más común de recombinación molecular es la recombinación homóloga, involucrando a la proteína RecA. En este proceso se aparea el ADN de dos fuentes, con base en una secuencia de nucleótidos similar en un área. Una endonucleasa mella una hebra, permitiendo que RecA empareje bases de diferentes hebras, un proceso conocido como invasión de cadenas. El cruce entre las moléculas de ADN se resuelve con resolvasa, que corta y vuelve a unir el ADN en dos moléculas de ADNbc separadas.

La recombinación también puede ocurrir usando recombinación específica de sitio, un proceso a menudo utilizado por los virus para insertar su genoma en el cromosoma de su huésped. Este tipo de recombinación también es utilizado por elementos transponibles (ver siguiente sección).

Elementos Transposables

Por último, no debemos dejar el tema de la genética microbiana sin al menos explorar el papel de los elementos transponibles o “genes saltadores”. Si bien estos pueden jugar un papel muy importante en la activación e inactivación de genes bacterianos, la mejor explicación deriva del trabajo de Barbara McClintock en el maíz, quien ganó el Premio Nobel por su investigación en 1983. Demostró que los elementos transponibles pueden ser responsables de la activación o inactivación de genes dentro de un organismo.

Los elementos transponibles son de estructura relativamente simple, diseñados para moverse de una ubicación a otra dentro de una molécula de ADN mediante un proceso conocido como transposición. Todos los elementos transponibles codifican la enzima transposasa, la enzima responsable de permitir que se produzca la transposición, y tienen repeticiones invertidas cortas (IR) en cada extremo.

Transposición.

El elemento transponible más simple es una secuencia de inserción (IS), que contiene la transposasa y las IR de longitudes variables. Un transposón típicamente contiene genes adicionales, con el tipo exacto variando ampliamente de transposón a transposón. Un transposón puede retirarse de una ubicación y trasladarse a otra (el modelo de cortar y pegar), un proceso conocido como transposición conservadora. Alternativamente, se puede copiar, insertándose la copia en un segundo sitio, en un proceso conocido como transposición replicativa.

Palabras clave

Transferencia Génica Horizontal (HGT), conjugación, donante, receptor, plásmido conjugativo, F-, F, transformación, ADN desnudo, competencia, célula competente, ADN translocasa, endonucleasa, autolisina, recA, transducción, transducción generalizada, partícula transductora, transducción especializada, recombinación molecular, recombinación homóloga, resolvasa, recombinación específica de sitio, elementos transponibles, transposición, transposasa, repeticiones invertidas (IR), secuencia de inserción (IS), transposón, transposición conservadora, transposición replicativa.

Preguntas/objetivos esenciales

1. ¿Qué es la transferencia genética horizontal? ¿Cuáles son los tres mecanismos para que esto ocurra en las bacterias?
2. ¿Cuáles son los componentes necesarios para los procesos de transformación, conjugación y transducción? ¿Cómo ocurre cada proceso? ¿Qué genes están involucrados en cada proceso?
3. ¿En qué se diferencian la transducción generalizada y especializada? ¿Cuál es el resultado final de cada uno?
4. ¿Qué es la recombinación? ¿Cuál es la importancia para las bacterias y las arqueas?
5. ¿Cuáles son los dos tipos de recombinación? ¿Cuáles son los detalles de cada tipo? ¿Qué componentes se necesitan para cada tipo?
6. ¿Qué es la transposición? ¿Qué se requiere para que ocurra el proceso? ¿Qué es un elemento transponible?

Preguntas Exploratorias (OPCIONAL)

1. ¿Cómo podrían utilizarse los transposones en el estudio de la genética bacteriana?