Competencia natural

En microbiología , genética , biología celular y biología molecular , la competencia es la capacidad de una célula de alterar su genética al tomar ADN extracelular de su entorno a través de un proceso llamado transformación . La competencia se puede diferenciar entre competencia natural y competencia inducida o artificial . La competencia natural es una capacidad genéticamente especificada de las bacterias que se produce tanto en condiciones naturales como en el laboratorio. La competencia artificial surge cuando las células de los cultivos de laboratorio se tratan para hacerlas transitoriamente permeables al ADN. La competencia permite una rápida adaptación y reparación del ADN de la célula.

La competencia natural fue descubierta por Frederick Griffith en 1928, cuando demostró que una preparación de células muertas de una bacteria patógena contenía algo que podía transformar células no patógenas relacionadas en el tipo patógeno. ^{[1] [2]} En 1944 Oswald Avery , Colin MacLeod y Maclyn McCarty demostraron que este "factor de transformación" era ADN puro . ^{[2] [3]} Esta fue la primera evidencia convincente de que el ADN transporta la información genética de la célula.

Desde entonces, se ha estudiado la competencia natural en varias bacterias diferentes, en particular Bacillus subtilis , Streptococcus pneumoniae , Neisseria gonorrhoeae , Haemophilus influenzae y miembros del género Acinetobacter . ^[1] Las áreas de investigación activa incluyen los mecanismos de transporte de ADN, la regulación de la competencia en diferentes bacterias y la función evolutiva de la competencia.

En el laboratorio, el ADN es proporcionado por el investigador, a menudo como un fragmento o plásmido modificado genéticamente . Durante la absorción, el ADN se transporta a través de la (s) membrana(s) celular(es) y la pared celular si está presente. Una vez que el ADN está dentro de la célula, puede degradarse a nucleótidos , que se reutilizan para la replicación del ADN y otras funciones metabólicas . Alternativamente, puede recombinarse en el genoma de la célula mediante sus enzimas reparadoras del ADN . Si esta recombinación cambia el genotipo de la célula , se dice que la célula ha sido transformada. La competencia artificial y la transformación se utilizan como herramientas de investigación en muchos organismos. ^[4]

En casi todas las bacterias naturalmente competentes, los componentes de los filamentos extracelulares llamados pili tipo IV se unen al ADN bicatenario extracelular. Luego, el ADN se transloca a través de la membrana (o membranas para las bacterias gramnegativas ) a través de complejos proteicos de múltiples componentes impulsados ​​por la degradación de una hebra del ADN. El ADN monocatenario en la célula está unido por una proteína bien conservada, DprA, que carga el ADN en RecA , que media la recombinación homóloga a través de la vía clásica de reparación del ADN . ^[5]

En cultivos de laboratorio, la competencia natural suele estar estrechamente regulada y a menudo se desencadena por escasez nutricional o condiciones adversas. Sin embargo, las señales inductoras específicas y la maquinaria reguladora son mucho más variables que la maquinaria de captación, los sistemas de regulación pueden variar en diferentes especies. ^{[6] [1] Se han descubierto} factores de transcripción que regulan la competencia; un ejemplo es sxy (también conocido como tfoX) que se ha encontrado que está regulado a su vez por un elemento de ARN no codificante 5' . ^[7] En bacterias capaces de formar esporas , las condiciones que inducen la esporulación a menudo se superponen con las que inducen la competencia. ^{[1] [8]} Por lo tanto, los cultivos o colonias que contienen células esporulantes a menudo también contienen células competentes.

Se cree que la mayoría de las bacterias naturalmente competentes absorben todas las moléculas de ADN con eficiencias aproximadamente iguales. ^[1] Sin embargo, las bacterias de algunas familias, como Neisseriaceae y Pasteurellaceae , absorben preferentemente fragmentos de ADN que contienen secuencias de señal de captación , que son secuencias cortas que son frecuentes en sus propios genomas. ^[1] En Neisseriaceae, estas secuencias se denominan secuencia de captación de ADN (DUS), mientras que en Pasteurellaceae se denominan secuencia de señal de captación (USS). Los genomas de Neisseria contienen miles de copias de la secuencia preferida GCCGTCTGAA, y los genomas de Pasteurellacean contienen AAGTGCGGT o ACAAGCGGT. ^{[4] [9]}

La mayoría de las propuestas realizadas para la función evolutiva primaria de la competencia natural como parte de la transformación bacteriana natural se dividen en tres categorías: (1) la ventaja selectiva de la diversidad genética; (2) la captación de ADN como fuente de nucleótidos (ADN como “alimento”); y (3) la ventaja selectiva de una nueva hebra de ADN para promover la reparación recombinatoria homóloga del ADN dañado (reparación del ADN). Es posible que varias propuestas sean verdaderas para diferentes organismos. ^[1] También se ha hecho una sugerencia secundaria, señalando la ventaja ocasional de la transferencia horizontal de genes .

Según una hipótesis, la transformación bacteriana puede desempeñar el mismo papel en el aumento de la diversidad genética que el sexo en los organismos superiores. ^{[1] [10] [11]} Sin embargo, las dificultades teóricas asociadas con la evolución del sexo sugieren que el sexo para la diversidad genética es problemático. En el caso de la transformación bacteriana, la competencia requiere el alto costo de un interruptor de síntesis de proteínas global, con, por ejemplo, más de 16 genes que se activan solo durante la competencia de Streptococcus pneumoniae . ^[12] Sin embargo, como las bacterias tienden a crecer en clones, el ADN disponible para la transformación generalmente tendría el mismo genotipo que el de las células receptoras. ^[13] Por lo tanto, siempre hay un alto costo en la expresión de proteínas sin, en general, un aumento en la diversidad. Otras diferencias entre la competencia y el sexo se han considerado en modelos de la evolución de genes que causan competencia. Estos modelos encontraron que los beneficios recombinacionales postulados de la competencia eran incluso más elusivos que los del sexo. ^[13]

La segunda hipótesis, el ADN como alimento, se basa en el hecho de que las células que absorben ADN inevitablemente adquieren los nucleótidos que componen el ADN y, debido a que los nucleótidos son necesarios para la síntesis de ADN y ARN y son costosos de sintetizar, estos pueden hacer una contribución significativa al presupuesto energético de la célula. ^[14] Algunas bacterias naturalmente competentes también secretan nucleasas en su entorno, y todas las bacterias pueden absorber los nucleótidos libres que estas nucleasas generan a partir del ADN ambiental. ^[15] La energética de la absorción de ADN no se entiende en ningún sistema, por lo que es difícil comparar la eficiencia de la secreción de nucleasas con la de la absorción de ADN y la degradación interna. En principio, el costo de producción de nucleasas y la incertidumbre de la recuperación de nucleótidos deben equilibrarse con la energía necesaria para sintetizar la maquinaria de absorción y atraer el ADN. Otros factores importantes son las probabilidades de que las nucleasas y las células competentes se encuentren con moléculas de ADN, las ineficiencias relativas de la absorción de nucleótidos del entorno y del periplasma (donde una hebra es degradada por células competentes) y la ventaja de producir monofosfatos de nucleótidos listos para usar a partir de la otra hebra en el citoplasma. Otro factor que complica la situación es el sesgo propio de los sistemas de absorción de ADN de las especies de la familia Pasteurellaceae y el género Neisseria , que podría reflejar la selección para la recombinación o para una absorción mecánicamente eficiente. ^{[16] [17]}

En las bacterias, el problema del daño del ADN es más pronunciado durante los períodos de estrés, en particular el estrés oxidativo, que se producen durante condiciones de hacinamiento o inanición. Algunas bacterias inducen competencia en tales condiciones de estrés, lo que apoya la hipótesis de que la transformación ayuda a la reparación del ADN. ^[1] En pruebas experimentales, las células bacterianas expuestas a agentes que dañan su ADN y luego experimentan una transformación, sobrevivieron mejor que las células expuestas a daños en el ADN que no experimentaron transformación. ^[18] Además, la competencia para experimentar una transformación a menudo es inducible por agentes conocidos que dañan el ADN. ^{[19] [20] [1]} Por lo tanto, una fuerte ventaja selectiva a corto plazo para la competencia natural y la transformación sería su capacidad para promover la reparación del ADN por recombinación homóloga en condiciones de estrés.

Ocasionalmente, se puede conferir una ventaja a largo plazo mediante instancias ocasionales de transferencia horizontal de genes , también llamada transferencia lateral de genes (que puede resultar de una recombinación no homóloga después de que se induce la competencia), que podrían generar resistencia a los antibióticos u otras ventajas.

Independientemente de la naturaleza de la selección para la competencia, la naturaleza compuesta de los genomas bacterianos proporciona evidencia abundante de que la transferencia horizontal de genes causada por la competencia contribuye a la diversidad genética que hace posible la evolución.

• Transformación (genética)