Genética bacteriana

La recombinación mezcla elementos genéticos (genoma o partes de un genoma) de dos células diferentes en una misma célula, dando lugar a un nuevo genotipo. Tiene como consecuencia la dispersión de la variabilidad genética entre organismos de una población, y la transmisión de caracteres genéticos entre individuos de un población. En la recombinación tiene lugar el apareamiento de moléculas de ADN, que son homólogos y el intercambio de estas cadenas de ADN. Se forma un genotipo recombinante:
En eucariotas, la recombinación tiene lugar durante la reproducción sexual. En ella se forman gametos haploides y durante la fecundación, se fusionan y forman un cigoto diploide. En bacterias no existe la reproducción sexual, pero si tenemos recombinación, tiene lugar mediante la transferencia de una porción del genoma de una bacteria dadora denominada exogenote a una bacteria aceptora o endogenote. Como consecuencia, se forma un merocigoto (zigoto parcial). Este merocigoto contiene el genoma entero de la
célula aceptora y sólo una parte de la célula dadora. En bacterias, la recombinación es ocasional (sólo de vez en cuando), fragmentaria (sólo se recombina parte del genoma) y no es necesaria para completar el ciclo de vida de las bacterias. Lo que sí es beneficioso es para la población.
MECANISMOS DE RECOMBINACIÓN
Hay tres tipos:
tRANSFORMACIÓN: la célula aceptora toma genes de una molécula de ADN (de la célula dadora) que se encuentra en el medio que rodea a la célula aceptora.
La célula dadora se fragmenta, y también lo hace la molécula de ADN. Uno de estos fragmentos es captado por la célula aceptora, si hay segmentos homólogos tiene lugar el intercambio de cadenas de ADN RECOMBINACIÓN propiamente dicha.
El descubrimiento de la transformación fue muy importante, ya que permitió conocer cual era la naturaleza del material genético, se conoció que era el ADN.
Una primera parte del descubrimiento fue realizado por Griffith en 1924. Estaba estudiando la bacteria Streptococus preumoniae, que causa neumonía en el hombre y en el ratón. Es patógena porque posee una cápsula de polisacáridos, que rodea a la bacteria y que permite que la bacteria escape a los sistemas de defensa de un animal hospedador vertebrado. El sistema de defensa consiste en que el animal células, que son macrófagos que fagocitan células extrañas. La cápsula de esta bacteria hace que no se una al macrófago e impide la fagocitosis. Así, da lugar a un mayor número de bacterias que se localizan en los tejidos del pulmón, provocando que éste no funcione con normalidad. Cuando esta bacteria crece en un medio sólido, forma colonias de aspecto liso, cepa S (smouth=liso). Puede ser que haya cepas mutantes que hayan perdido la cápsula, y que no sean patógenas. Esta cepa, cuando crece en un medio sólido da lugar a colonias de aspecto rugoso --> cepas R (rough=rugoso).
Griffith inoculó ratones con Streptococus preumoniae.
- Si la bacteria es de la cepa S, al cabo de un tiempo la colonia muere.
- Si la bacteria es de la cepa S, pero está muerta, el ratón vive.
- Pasa lo mismo si le inyecta bacterias de la cepa R vivas.
- Si inocula bacterias de la cepa R vivas y de la cepa S muertas, el ratón moría al cabo del tiempo de neumonía. Además, del ratón se extraían bacterias de la cepa S vivas, que si se inyectaban a otros ratones, provocaban la neumonía.
Lo que había pasado es que las bacterias R se habían transformado en bacterias S.
Debía haber algo en las bacterias S que produjese este cambio, pero Griffith no lo descubrió.
No se pudo descubrir hasta 20 años más tarde, cuando tres investigadores: Avery, McLeod y McCarty (1944) completaron las investigaciones de Griffith.
Tomaron células S y las fraccionaron: obtuvieron proteínas, ácidos nucleicos, polisacáridos... que fueron añadiendo de una en una a bacterias R. Observaron que al añadir ADN de bacterias S, las bacterias R se transformaban en bacterias S, tenían cápsula y eran patógenas. De ahí sacaron la conclusión de que la molécula en la que se encuentra la información es el ADN.
No todas las células pueden realizar la transformación. Ésta ocurre sólo en algunas cepas bacterianas de algunos géneros, como Streptococus, Hemophilus, Bacillus. En cada género, el mecanismo de transformación es diferente. Nosotros vamos a ver el mecanismo de transformación de Streptococus. Para que se pueda dar la transformación, la célula ha de ser competente para transformarse, producción de una proteína llamada factor de competencia. Esta proteína es liberada al exterior por la célula (en el crecimiento). Cuando se llega al fin de la etapa exponencial del crecimiento, este factor alcanza una concentración crítica que permite que la célula sea competente, se une a un receptor específico de la pared celular, que provoca que tenga lugar la expresión de una serie de genes cuyos productos genéticos van a participar en el proceso de la transformación. Una de estas proteínas, es la autolisina (enzima que puede romper los polisacáridos de la pared celular), actúa sobre la pared y pone al descubierto dos proteínas que ya estaban en la pared celular, pero ocultas.
De estas proteínas, una es una nucleasa y la otra es una proteína de unión al ADN. La molécula de ADN de la célula dadora (libre en el medio) se une a la pared celular gracias a las proteínas de unión. La nucleasa hidroliza una de las dos cadenas de ADN, la otra entra dentro de la célula. En el interior, se va uniendo a proteínas de unión de ADN, que hacen que la molécula permanezca estirada y evita que sea deformada. Si esta cadena que ha entrado es homóloga a algún fragmento del cromosoma de la célula receptora, habrá recombinación.
Así se produce una transformación natural. En el laboratorio, se puede hacer una transformación artificial, que permite introducir ADN exógeno=extraño en una bacteria o en un hongo. El ADN exógeno puede pertenecer a cualquier otro tipo de ser vivo. Este ADN no se encuentra en fragmentos, sino que se encuentra incluido en un plásmido.
Este plásmido se dice que actúa como vector de transformación. También pueden actuar así algunos virus y cromosomas artificiales.
Para introducir el ADN exógeno en una bacteria, se trata dicha bacteria con cationes divalentes, como por ejemplo el Ca++ (no se sabe por qué, pero alteran la pared y permiten la entrada de ADN). También se usa un disparador de partículas (dispara moléculas de ADN, que entran en la bacteria) o la electroporación (se somete a la bacteria a campos eléctricos pulsantes que producen poros en la pared, por donde puede entrar el ADN). Si queremos introducirlo en un hongo, eliminamos la pared celular con enzimas
hidrolíticas --> obtenemos así el protoplasto (célula del hongo, rodeado por la membrana). Si añadimos el ADN, puede entrar en la célula. Al cabo de un tiempo, el protoplasto regenera la pared celular.
La transformación artificial de hongos y bacterias es importante, porque nos permite usar los microorganismos para sintetizar proteínas de cualquier origen, por ejemplo, nos permiten obtener vacunas recombinantes, como la vacuna contra el virus de la Hepatitis B. Esta vacuna consiste en una proteína de la cápsida del virus. Esta proteína de consigue de una levadura (Sacharomice cerevesiae) a la que se le introduce el ADN exógeno que codifica para una proteína del virus de la hepatitis B. La levadura produce gran cantidad de la proteína viral, se purifica y se usa como vacuna. Así, evitamos tener que manejar el virus en el laboratorio.
TRANSDUCCIÓN: es un mecanismo de recombinación genética en bacterias, que está mediado por un virus bacteriano denominado bacteriófago=fago. En este proceso, la célula dadora es en primer lugar infectada por un fago. Se forma así una partícula viral que está defectuosa, y que contiene parte del ADN del fago y parte del ADN de la bacteria. Ahora, esta partícula viral se llama partícula transductora y es capaz de infectar a una bacteria receptora. De esta manera hay una transmisión de ADN de una bacteria dadora a una bacteria aceptora, a través de un fago. Un fago que infecta a una bacteria forma lo que se
denomina partícula viral, que está constituido por una cápsida de proteínas y en su interior está el genoma viral (la mayoría de bacterias tienen ADN de cadena doble). Cuando un fago infecta a una bacteria, tiene lugar lo que se llama el ciclo de replicación viral, cuyo objetivo es la formación de numerosas partículas virales. Este ciclo de replicación viral finaliza normalmente con la lisis de la bacteria. Por eso también se le llama ciclo lítico. Para que un fago infecte a una bacteria, tiene que ocurrir que este fago se una a la superficie de la bacteria. Es una unión específica y está regulada por receptores que se
encuentran en la superficie de la bacteria y reconocen de forma específica proteínas de la cápsida. Después de la unión, tiene lugar la penetración del ADN viral. A continuación, el ADN del fago se multiplica dentro de la bacteria, mientras que normalmente el ADN de la bacteria es degradado. Cuando se ha multiplicado el ADN viral, se sintetizan las proteínas de la cápsida del virus. Después, tiene lugar el ensamblaje de las proteínas de la cápsida y el ADN viral, formándose nuevas partículas virales. Finalmente, la bacteria se rompe y se liberan las partículas virales, que pueden volver a infectar nuevas bacterias. Durante el ciclo de reproducción del fago, se forma una partícula defectuosa dentro de la bacteria, que contiene parte del ADN del fago y parte de la bacteria. Se llama a esta partícula, partícula transductora. Esta partícula puede infectar a otras bacterias. Las partícula transductora es defectuosa porque no tiene completo el ADN viral, por lo que al infectar a otra bacteria no se puede reproducir, no tiene información suficiente para todas las partes. Pero las proteínas de la cápsida son normales, por lo que la partícula transductora puede unirse a los receptores de la superficie de la pared de la bacteria e
introducir el ADN en su interior (pero es un ADN que no es completo).
Con este proceso, la bacteria receptora recibe un fragmento de ADN de una bacteria dadora. Si este fragmento de ADN exógeno es complementario con el del ADN de la bacteria, hay apareamiento y recombinación entre ambas moléculas de ADN.
CONJUGACIÓN: es un mecanismo de recombinación en bacterias que requiere el contacto directo entre dos bacterias. Es un proceso polarizado, es decir, siempre va en la misma dirección, por lo que hay células dentro de una población de bacterias que siempre actúan como dadora, F + o Fertilidad +, y luego hay otras que actúan siempre como aceptoras, F - o Fertilidad -.
Sólo las células F + contienen un plásmido llamado factor F. Durante la conjugación, tiene lugar la copia y transferencia del factor F desde la célula F + a la F -. Así, al final de la conjugación se obtienen dos bacterias F +, la que era F + sigue conservando el plásmido y la F - se transforma porque adquiere el factor F. Este mecanismo de recombinación en bacterias es muy importante porque también se van a transferir los caracteres genéticos que están codificados en el factor F. Entre los caracteres puede haber en un factor F, se encuentran por ejemplo, los que confieren resistencia a los antibióticos. Así, si un individuo de la población presenta resistencia a los antibióticos, esta proporción se va a extender a toda la población.
Las etapas de la conjugación son:
- Contactos entre bacterias F + y F - a través de las fimbrias. Los genes para la formación de estas fimbrias, está en el factor F, por lo que sólo van a poder tener estas estructuras las F +.
- Movilización del plásmido, que consiste en la rotura de una de las dos cadenas del factor F, en una secuencia determinada. La enzima que corta el ADN es una endonucleasa que también está codificada por el factor F. Una vez que tiene lugar la rotura de la cadena, se da la replicación o duplicación de la
cadena que permanece cerrada. Esto causa el desplazamiento de la cadena abierta y que es transferida a la célula receptora a través de la fimbria. Cuando se acaba esto, tenemos que la célula que era F + conserva el factor F completo y la F - ha recibido una cadena del plásmido. Replicación de la cadena transferida. Se rompe el contacto entre las células y al final las bacterias son F +. El factor F tiene una propiedad, se puede integrar en el cromosoma de la bacteria. Así, una bacteria que tiene el factor F integrado en el cromosoma, se dice que es una bacteria Hfr (alta frecuencia de recombinación).