7.11B: Transformación Bacteriana

La transformación es la captación directa, incorporación y expresión de material genético exógeno de su entorno.

OBJETIVOS DE APRENDIZAJE

Diferenciar entre transformación natural y artificial

Claves para llevar

Puntos Clave

• La transformación da como resultado la alteración genética de la célula receptora.
• El ADN exógeno se recoge en la célula receptora desde su entorno a través de la (s) membrana (s) celular (s).
• La transformación ocurre naturalmente en algunas especies de bacterias, pero también puede verse afectada por medios artificiales en otras células.

Términos Clave

• eucariotas: Tener células complejas en las que el material genético se organiza en núcleos unidos a membrana.
• transformación: En biología molecular la transformación es la alteración genética de una célula resultante de la captación directa, incorporación y expresión de material genético exógeno (ADN exógeno) de su entorno y absorbido a través de la (s) membrana (s) celular (s).
• expresión: La expresión génica es el proceso por el cual la información de un gen se utiliza en la síntesis de un producto génico funcional.
• exógeno: Producido u originado fuera de un organismo.
• translocasa: Enzima que ayuda a mover otra molécula, generalmente a través de una membrana.

Alteración Genética

En biología molecular, la transformación es la alteración genética de una célula resultante de la captación directa, incorporación y expresión de material genético exógeno (ADN exógeno) de su entorno y absorbido a través de la (s) membrana (s) celular (s).

Transformación: Ilustración de la transformación bacteriana. El ADN de las células muertas se corta en fragmentos y sale de la célula. El ADN flotante puede entonces ser recogido por células competentes. El ADN exógeno se incorpora al cromosoma de la célula hospedadora mediante recombinación.

TRANSFORMACIÓN NATURAL

La transformación ocurre naturalmente en algunas especies de bacterias, pero también se puede efectuar por medios artificiales en otras células. Para que ocurra la transformación, las bacterias deben estar en un estado de competencia, lo que podría ocurrir como una respuesta de tiempo limitado a condiciones ambientales como la inanición y la densidad celular. La transformación es uno de los tres procesos mediante los cuales se puede introducir material genético exógeno en una célula bacteriana; los otros dos son conjugación (transferencia de material genético entre dos células bacterianas en contacto directo) y transducción (inyección de ADN extraño por un virus bacteriófago en el huésped bacteria).

“Transformación” también puede usarse para describir la inserción de nuevo material genético en células no bacterianas, incluyendo células animales y vegetales; sin embargo, debido a que “" transformación "” tiene un significado especial en relación con las células animales, lo que indica progresión a un estado canceroso, se debe evitar el término para células animales al describir la introducción de material genético exógeno. La introducción de ADN extraño en células eucariotas a menudo se llama “transfección”.

La transformación bacteriana puede denominarse un cambio genético estable, provocado por la captación de ADN desnudo (ADN sin células o proteínas asociadas). La competencia se refiere al estado de poder tomar ADN exógeno del medio ambiente. Hay dos formas de competencia: la natural y la artificial.

Alrededor del 1% de las especies bacterianas son capaces de absorber ADN de forma natural en condiciones de laboratorio; más pueden absorberlo en sus ambientes naturales. El material de ADN puede transferirse entre diferentes cepas de bacterias en un proceso que se denomina transferencia génica horizontal.

Algunas especies, tras la muerte celular, liberan su ADN para ser absorbido por otras células; sin embargo, la transformación funciona mejor con ADN de especies estrechamente relacionadas. Estas bacterias naturalmente competentes portan conjuntos de genes que proporcionan la maquinaria proteica para llevar el ADN a través de la (s) membrana (s) celular (s). El transporte del ADN exógeno hacia las células puede requerir proteínas que están involucradas en el ensamblaje de pili tipo IV y sistema de secreción tipo II, así como complejo de translocasa de ADN en la membrana citoplásmica.

DIFERENCIAS GRAMPOSITIVAS Y GRAMNEGATIVAS

Debido a las diferencias en la estructura de la envoltura celular entre bacterias Gram-positivas y Gram-negativas, existen algunas diferencias en los mecanismos de captación de ADN en estas células. Sin embargo, la mayoría de ellos comparten características comunes que involucran proteínas relacionadas. El ADN primero se une a la superficie de las células competentes en un receptor de ADN, y pasa a través de la membrana citoplásmica a través de la translocasa de ADN. Solo el ADN monocatenario puede pasar a través, una cadena es degradada por nucleasas en el proceso, y el ADN monocatenario translocado puede entonces integrarse en los cromosomas bacterianos mediante un proceso dependiente de RecA.

En las células Gram-negativas, debido a la presencia de una membrana extra, el ADN requiere la presencia de un canal formado por secretinas en la membrana externa. Pilin puede ser requerido para la competencia sin embargo, su papel es incierto. La captación de ADN es generalmente no específica de secuencia, aunque en algunas especies la presencia de secuencias de captación de ADN específicas puede facilitar la captación eficiente de ADN.

TRANSFERENCIA ARTIFICIAL

La competencia artificial puede inducirse en procedimientos de laboratorio que implican hacer que la célula sea pasivamente permeable al ADN, exponiéndola a condiciones que normalmente no ocurren en la naturaleza. Por lo general, las células se incuban en una solución que contiene cationes divalentes; más comúnmente, solución de cloruro de calcio en condiciones frías, que luego se expone a un pulso de choque térmico. Sin embargo, el mecanismo de captación de ADN a través de la competencia inducida químicamente en este método de transformación de cloruro de calcio no está claro.

La superficie de bacterias como E. coli está cargada negativamente debido a fosfolípidos y lipopolisacáridos en su superficie celular, y el ADN también está cargado negativamente. Una función del catión divalente, por lo tanto, sería proteger las cargas coordinando los grupos fosfato y otras cargas negativas, permitiendo así que una molécula de ADN se adhiera a la superficie celular. Se sugiere que exponer las células a cationes divalentes en condiciones frías también puede cambiar o debilitar la estructura de la superficie celular de las células haciéndolas más permeables al ADN. Se cree que el pulso de calor crea un desequilibrio térmico a ambos lados de la membrana celular, lo que obliga al ADN a ingresar a las células a través de los poros celulares o la pared celular dañada.

La electroporación es otro método de promoción de la competencia. Mediante este método, las células se chocan brevemente con un campo eléctrico de 10-20 kV/cm que se cree que crea agujeros en la membrana celular a través de los cuales puede entrar el ADN plasmídico. Después de la descarga eléctrica, los orificios se cierran rápidamente por los mecanismos de reparación de membrana de la célula.

O. T. Avery, et al. fueron los primeros en demostrar que las colonias “ásperas” de S. pneumoniae podían transformarse en colonias “lisas” (productoras de cápsulas) mediante la adición de extractos de ADN de las primeras a las segundas, así “transformándolas”. (Ver Lederberg a continuación)

1. Lederberg, Joshua (1994). La transformación de la genética por ADN: una celebración de aniversario de AVERY, MACLEOD y MCCARTY (1944) en Comentarios anecdóticos, históricos y críticos sobre la genética. La Universidad Rockfeller, Nueva York, Nueva York 10021-6399. PMID 8150273.