Genetica Bacteriana

Genética bacteriana

Mecanismos de variación genética en las bacterias. Aunque las bacterias se reproducen por un proceso asexual (fisión binaria), poseen mecanismos para lograr la variabilidad genética que necesitan para adaptarse a un entorno cambiante. En general existen dos formas de cambiar la dotación genética de una bacteria, las mutaciones y la transferencia de fragmentos de ADN de unas bacterias a otras con posterior recombinación de los fragmentos adquiridos en el cromosoma o en los plásmidos de las bacterias receptora. Conocemos dos formas de recombinación: la recombinación homóloga y la transposición. En la recombinación homóloga el fragmento da ADN aceptado es muy similar a una parte del genoma del a bacteria y, tras situarse al lado, se intercambian con él por un mecanismo de rotura, entrecruzamiento y reunión de sus cadenas de ADN (figura 2.2). La transferencia previa a este tipo de recombinación puede ocurrir mediante tres vías: la penetración de ADN desnudo directamente a través de la pared de la célula receptora (transformación), mediante un bacteriófago que infecta diferentes poblaciones bacterianas (transducción), o por transferencia de plásmidos y en su caso de genes cromosómicos arrastrados por plásmidos desde las bacterias donadoras a las receptoras (conjugación) (figura 2.2).

Hoy sabemos que existen también varios tipos de elementos genéticos transferibles (transposones e integrones), que pueden integrarse en diversos puntos del cromosoma o en los plásmidos de una bacteria sin necesidad de encontrar fragmentos homólogos, por un mecanismo de transposición o recombinación no homóloga.

Mutaciones

Las mutaciones son cambios heredables puntuales de la molécula de ADN. Algunas son sustituciones y, otras, deleciones o adiciones de bases por errores en el proceso de replicación semiconservativa del ADN. Aunque estos errores ocurren con muy baja probabilidad en cualquier proceso de replicación de ADN, para las bacterias son una fuente importante de variabilidad, debido a que son poblaciones muy numerosas con tiempos de generación muy cortos. Además, la mutación de ciertos genes relacionados con la propia replicación (genes mutadores), conduce a un aumento drástico de la tasa de mutación de cualquier otro gen. Algunas mutaciones no tienen efecto en el fenotipo (mutaciones silentes), pero otras, al modificar una proteína estructural o un enzima, dan lugar a cambios fenotípicos. Las mutaciones que ocurren en bacterias patógenas pueden modificar su virulencia si conducen a cambios en antígenos superficiales que no serán reconocidos por la respuesta inmune preexistente. Otras mutaciones importantes son las que aumentan la resistencia de la cepa mutada frente a uno o varios antimicrobianos. En todo caso las bacterias mutantes solo serán seleccionadas y sustituirán a la cepa original cuando la característica adquirida por mutación represente una ventaja frente a condiciones selectivas del entorno.

2.1. Figura: Mecanismo de recombinación homóloga. Las secuencias homólogas se acercan, sus extremos se rompen, se entrecruzan y se reúnen.

Recombinación homóloga

A través de la recombinación las bacterias pueden adquirir varias características a un tiempo y evolucionar así más rápido que mediante mutaciones. Para hacer posible la recombinación homóloga previamente han de transferirse los fragmentos de una bacteria donadora al citoplasma de la receptora que se convierte en parcialmente diploide.

2.2. Figura: Bacterias parcialmente diploides (falsos zigotos) pueden obtenerse por transformación, transducción o conjugación.

En todo caso estas recombinaciones son la excepción y no la regla porque cada especie posee sus sistemas de seguridad para protegerse de la entrada de de fagos y plásmidos y mantener así su identidad. Se trata de enzimas que introducen modificaciones químicas para marcar y proteger el ADN propio y destruyen toda molécula ajena que no esté marcada por ellas. Estos sistemas restringen el rango de transferencias o intercambios de información entre especies y se denominan enzimas de restricción.

En este curso aprendemos a emplear estos enzimas para identificar fragmentos de ADN bacteriano relacionados con la virulencia o con la resistencia a los antibióticos.

Transformación

En la transformación la bacteria receptora acepta moléculas desnudas de ADN que penetran por su pared desde el medio externo. De forma natural podría ocurrir cuando las bacterias receptoras comparten su ecosistema con una población de bacterias donadoras que muere y cuyos cromosomas se fragmentan. El ADN desnudo esdestruido rapidamente por DNAsas que son enzimas muy frecuentes en muchos medios, por lo que la probabilidad de que ocurran transformaciones naturales es pequeña. Además la pared de la célula receptora debe estar relativamente permeable para dejar pasar fragmentos de ADN. Suelen ser competentes, es decir, capaces de sufrir transformación las especies de Streptococuus, Staphylococcus, Haemophilus, Neisseria y Bacillus. Sin embargo en el laboratorio puede forzarse la competencia mediante cambios en la concentración de calcio del medio. Esta técnica se emplea para introducir en la bacteria moléculas mixtas de ADN recombinante de las que interesa obtener copias (clonación).

Transdución

En la transducción son los virus bacteriofagos los que llevan un fragmento de ADN de la bacteria donadora hasta el citoplasma de la receptora. Los bacteriófagos son virus que se reproducen en el interior de las bacterias. Para infectarlas inyectan su ADN en el citoplasma dejando fuera la cápside del fago. Después paralizan la replicación de la bacteria, cuyo ADN comienza a degradarse, replican el ADN del virus y traducen la información precisa para sintetizar nuevas cápsides que se ensamblan rodeando a las copias de ADN fágico. Para liberar los nuevos bacteriófagos lisan la bacteria infectada. A veces, durante estos ciclos líticos se introduce por error en una cápside de bacteriófago ADN de la bacteria infectada. Estas partículas pueden iniciar la infección de otra bacteria y le inyectan de forma automática el ADN que portan. Como en estos casos no es inyectado el genoma completo del virus, la bacteria no muere y puede recombinar el fragmento adquirido. Cualquier gen de la bacteria donadora tiene igual probabilidad de ser transducido y porteriormente recombinado a través del proceso descrito que se denomina transducción generalizada (figura 2.3.).

Algunos bacteriófagos son capaces de circularizar e integrar su ADN en el cromosoma de la bacteria

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