Las bacterias. Una mirada a sus mecanismos de intercambio genético.

El genoma bacteriano posee elementos móviles que no son más que segmentos de ADN que pueden moverse de una posición a otra diferente del mismo cromosoma o de un cromosoma distinto; éstos se denominan secuencias de inserción (IS) y transposones (Fig. 1).

Figura 1. Secuencias de inserción y transposones.
Tomado de: Rojas (2012)

Los elementos IS y los transposones se agrupan bajo la denominación de elementos transponibles, encontrándose tanto en cromosomas bacterianos como en los plásmidos. Tras la inserción en un nuevo sitio del ADN, los elementos transponibles generan una secuencia repetida de pequeño tamaño, que consta de 9 ó 5 pb (pares de base nitrogenadas). Los transposones se detectaron como elementos genéticos móviles que conferían resistencia a fármacos, muchos de estos elementos contienen elementos IS reconocibles flaqueando un gen que determina la resistencia al fármaco; aunque no se conocen con detalle los mecanismos de transposición, se han identificado dos rutas distintas. En algunos casos, la transposición tiene lugar mediante la replicación de una nueva copia del elemento en la diana, mientras que en otros casos, la transposición implica la escisión del elemento del sitio original y su reintegración en un sitio nuevo. Estos dos modelos de transposición se denominan replicativo y conservativo respectivamente.

Debido a la existencia de estos elementos los procariotas son muy susceptibles a las mutaciones genéticas, definiéndose como un proceso que genera un gen o dotación cromosómica distinta a la silvestre u original. Las mutaciones tanto en procariotas como en eucariotas, se dan por diferentes causas, distinguiéndose los diversos tipos que presentamos a continuación.

Cuando el cambio ocurre dentro de un gen y puede cartografiarse en un locus («punto») cromosómico, se denomina mutación puntual; cuando el cambio ocurre en segmentos de cromosomas, cromosomas enteros e incluso dotaciones cromosómicas completas, se denomina mutación cromosómica.

El término mutación puntual suele aplicarse a la alteración de un solo par de bases o a un número reducido de pares de bases adyacentes. Existen dos tipos:

• Cambios de bases: son aquellas mutaciones en las que se sustituye un par de base por otro. Éstas a su vez se subdividen en: transiciones (sustitución de una base por otra de la misma categoría, es decir, por ejemplo purina por otra purina), y transversiones (sustitución de una base de una categoría química por una de otra categoría, por ejemplo purina por pirimidina).
• Inserción o deleción de bases: son aquellas mutaciones en las que se inserta o se elimina un solo par de bases.

Las consecuencias funcionales de estos tipos distintos de mutaciones puntuales nos llevan a otros tipos de mutaciones ya que debe considerarse si la mutación afecta a la parte del gen en la que está cifrada la proteína. Estas pueden ser:

• Mutación silenciosa: la mutación cambia un codón por otro que determina el mismo aminoácido.
• Mutación de cambio de sentido: la mutación cambia a un codón por otro que determina un aminoácido.
• Mutación sin sentido: un codón que determina un aminoácido es sustituido por un codón de terminación de traducción (stop).
• Mutación de cambio de fase: inserción o deleción de uno o pocos pares de bases que desplaza la fase de lectura de la traducción.
• Mutación nula: son aquellas cuya consecuencia es la ausencia completa de la función del gen.
• Mutación rezumante: son aquellas que confieren un fenotipo mutante, si bien deja la función normal del gen a un nivel todavía detectable, aunque bajo.

También se puede hablar de mutaciones en referencia al tejido en donde ocurren; cuando la mutación ocurre en un tejido somático o en un tejido germinal, tales cambios se denominan, respectivamente, mutaciones somáticas y mutaciones germinales.

La mutación puede ser tan grave que provoque defectos morfológicos importantes o hasta muerte; entonces tenemos:

• Mutaciones morfológicas: son aquellas que afectan las propiedades externamente visibles de un organismo, como color, tamaño o forma.
• Mutaciones letales: éstas se reconocen por sus efectos sobre la supervivencia del organismo.
• Mutaciones de pérdida de función: mutación tipo nula, se pierde la función del gen.
• Mutaciones de ganancia de función: mutación que da lugar a que una proteína adquiera una nueva capacidad funcional que es detectable fenotípicamente.
• Mutaciones bioquímicas: son aquellas inducidas experimentalmente con medios generalmente enriquecidos; aunque muchas enfermedades hereditarias se deben a mutaciones de este tipo, en donde la expresión de errores congénitos del metabolismo provoca tales desórdenes (fenilcetonuria, galactosemia).
• Mutación condicional: mutación que da lugar a un fenotipo silvestre en ciertas condiciones ambientales (permisivas) y a un fenotipo mutante en otras condiciones (restrictivas).

Mecanismo de intercambio de genes

Conjugaciòn bacteriana

Es un proceso de transferencia de información genética desde una célula donadora a otra receptora, promovido por determinados tipos de plásmidos, y que requiere contactos directos entre ambas, con intervención de estructuras superficiales especializadas y de funciones específicas, como el pili. Existen dos tipos de cepas de cara a la producción de recombinantes por conjugación (Fig. 2):

• Cepas fértiles (F+): aquellas que al mezclarlas con otras, daban lugar a recombinantes.
• Cepas infértiles (F-): aquellas que al mezclarlas con F+, daban lugar a generaciones de F+.

Transformación bacteriana

Algunas bacterias cuentan con otro método de transferencia de ADN y producción de recombinantes que no requiere conjugación. La conversión de un genotipo en otro por la introducción de ADN exógeno (es decir, fragmentos de ADN de una fuente externa) recibe el nombre de transformación (Fig. 2). Este proceso fue descubierto en Streptococcus pneumoniae, en 1928, por Frederick Griffith. Cabe nombrar que en 1944, Oswald T. Avery, Colin M. MacLeod y Maclyn McCarty demostraron que el ADN era el «principio transformante», ya que tras la demostración de que el ADN era el agente que determinaba en componente de polisacárido de S. pneumoniae, se demostró la existencia de transformación para otros genes, tales como los que confieren resistencia a antibióticos. El principio transformante, ADN exógeno, se incorpora al cromosoma bacteriano mediante un proceso de rotura e inserción. Por ejemplo: Bacillus, Haemophilus, Neisseria, Pneumococcus, toman ADN del medio ambiente y ese ADN que es introducido puede llegar a ser incorporado al cromosoma de la célula bacteriana receptora.

La transformación requiere un estado fisiológico conocido como competencia, capacidad para unir e incorporar ADN. El estado de competencia es diferente para cada especie bacteriana capaz de experimentar transformación. En cada especie está influido por una serie de parámetros como: densidad del cultivo, temperatura, pH, nutrientes.

Transducción bacteriana

Algunos bacteriófagos, que son virus que infectan a bacterias, son capaces de movilizar genes bacterianos y transferirlos de unas bacterias a otras por medio de un proceso denominado transducción. La transducción constituye un mecanismo de transferencia genética entre bacterias, adicional a los ya explicados. Durante el ciclo lítico, ciclo en donde una bacteria infectada por un bacteriófago muere por lisis celular, algunas partículas víricas incorporan genes bacterianos que más tarde son transferidos a otro hospedador donde el virus introduce su contenido (Fig.2).

Figura 2. Conjugación bacteriana (izquierda), transducción (centro) y transformación (derecha). Tomado de: http://recursos.cnice.mec.es/biologia/bachillerato/segundo/biologia/ud07/02_07_04_02_032.html#

Los estudios genéticos realizados en las bacterias a lo largo del tiempo han permitido esclarecer la evolución y forma de vida de estos seres, así como la de la mayoría de los seres vivos, participando en procesos que van desde la producción de alimentos, medicamentos, estudios biológicos a nivel celular y molecular, hasta llegar a su importancia en el equilibrio de los ecosistemas y de nuestra salud.

En el caso de los ecosistemas, la energía solar fluye y se disipa en forma de calor a través de los niveles tróficos, mientras que la materia se mantiene constante en ellos al pasar desde productores a minerales, constituyendo un ciclo (ciclos biogeoquímicos), siendo los bacterias junto a los hongos, los grandes desintegradores de la materia orgánica, promoviendo la circulación de los elementos químicos en las diferentes capas de la Tierra.

En el ciclo del nitrógeno, éste es mucho más abundante en la atmósfera que el CO2, sin embargo, solo unas pocas bacterias (Azotobacter, Rhizobium, entre otras) son capaces de fijarlo en forma orgánica. Parte de estos organismos son simbióticos con plantas superiores. Una vez incorporado o asimilado a la materia orgánica, el nitrógeno sufre distintas transformaciones hasta que sale de nuevo a los almacenes inorgánicos a través de la excreción y la muerte. Las sustancias producto de estos procesos no están en la forma original de nitrógeno molecular sino en compuestos más complejos que son degradados hasta NH3 en un proceso denominado amonificación. El amoníaco es transformado en nitritos y nitratos por la acción de otras bacterias (Nitrosomonas y Nitrobacter). Los nitritos y nitratos pueden ser directamente incorporados a las plantas y volver a la materia orgánica, o también pueden sufrir un proceso de desnitrificación realizado por otras bacterias u hongos que devuelven a la atmósfera el nitrógeno molecular. Otros ejemplos, son las bacterias que participan en el ciclo del fósforo, en la transferencia de formas inorgánicas a orgánicas o bien solubilizando el fosfato insoluble; la proporción de microorganismos que intervienen en el ciclo del carbono es mayor en agua que en tierra; allí la producción de materia orgánica corre a cuenta de las algas y cianofíceas unicelulares del fitoplancton y su degradación es llevada a cabo por eubacterias.

Por otra parte, se tiene a la flora microbiana normal, la cual se refiere a la población de microorganismos asociados que habitan en las superficies internas y externas de animales y humanos. A partir del momento del nacimiento tanto animales como humanos son colonizados por bacterias (también en un menor porcentaje virus, hongos, protozoos) coexistiendo de forma pacífica y equilibrada, y contribuyendo al desarrollo del sistema inmunológico del huésped, en la fabricación de nutrientes esenciales (por ejemplo en humanos, los coliformes del intestino producen vitamina K), así como también construyendo una barrera contra otros microorganismos patógenos (esto es, liberando factores de actividad antibacteriana, productos metabólicos, limitando todos los factores para el no establecimiento de éstos); de no ser así, al momento de nacer sobrevendría la muerte, por lo cual la flora forma parte de las llamadas defensas del organismo. El tipo de flora microbiana depende de la interacción que existe entre los hospederos y el medio ambiente.

Referencias bibliográficas

Griffiths. A; Suzuki. D; Lenwontin. R; Gelbart. W. 2002. GENÉTICA. Séptima Edición. Editorial Mc Graw Hill Interamericana. España.

Molles. M. 2006. Ecología. Conceptos y aplicaciones. Tercera edición. Mc Graw – Hill-interamericana.

Rojas, N. (2012). Transposones. INSTITUTO TECNOLOGICO DE CD. ALTAMIRANO GRO. Consulta en línea: http://elvirojasnava.blogspot.com/2012/02/instituto-tecnologico-de-cd.html