Genoma bacteriano
Genoma de las bacterias

Los genomas bacterianos son generalmente más pequeños y menos variantes en tamaño entre especies en comparación con los genomas de eucariotas . Los genomas bacterianos pueden variar en tamaño desde aproximadamente 130 kbp [1] [2] hasta más de 14 Mbp . [3] Un estudio que incluyó, pero no se limitó a, 478 genomas bacterianos, concluyó que a medida que aumenta el tamaño del genoma, la cantidad de genes aumenta a un ritmo desproporcionadamente más lento en eucariotas que en no eucariotas. Por lo tanto, la proporción de ADN no codificante aumenta con el tamaño del genoma más rápidamente en no bacterias que en bacterias . Esto es consistente con el hecho de que la mayoría del ADN nuclear eucariota no codifica genes, mientras que la mayoría de los genes procariotas, virales y organulares son codificantes. [4] En este momento, tenemos secuencias de genomas de 50 filos bacterianos diferentes y 11 filos arqueológicos diferentes. La secuenciación de segunda generación ha producido muchos borradores de genomas (cerca del 90% de los genomas bacterianos en GenBank actualmente no están completos); la secuenciación de tercera generación podría eventualmente producir un genoma completo en unas pocas horas. Las secuencias del genoma revelan una gran diversidad en las bacterias. El análisis de más de 2000 genomas de Escherichia coli revela un genoma central de E. coli de aproximadamente 3100 familias de genes y un total de aproximadamente 89 000 familias de genes diferentes. [5] Las secuencias del genoma muestran que las bacterias parásitas tienen entre 500 y 1200 genes, las bacterias de vida libre tienen entre 1500 y 7500 genes y las arqueas tienen entre 1500 y 2700 genes. [6] Un sorprendente descubrimiento de Cole et al. describió cantidades masivas de descomposición genética al comparar el bacilo de la lepra con bacterias ancestrales. [7] Los estudios posteriores han demostrado que varias bacterias tienen tamaños de genoma más pequeños que sus antepasados. [8] A lo largo de los años, los investigadores han propuesto varias teorías para explicar la tendencia general de la degradación del genoma bacteriano y el tamaño relativamente pequeño de los genomas bacterianos. Hay pruebas contundentes que indican que la aparente degradación de los genomas bacterianos se debe a un sesgo de deleción.

Métodos y técnicas

En 2014, había más de 30.000 genomas bacterianos secuenciados disponibles públicamente y miles de proyectos de metagenomas . Proyectos como la Enciclopedia Genómica de Bacterias y Archaea (GEBA) pretenden añadir más genomas. [5]

La comparación de un solo gen está siendo sustituida por métodos más generales, que han dado lugar a nuevas perspectivas sobre relaciones genéticas que antes sólo se habían estimado. [5]

Un logro significativo en la segunda década de la secuenciación del genoma bacteriano fue la producción de datos metagenómicos, que abarcan todo el ADN presente en una muestra. Anteriormente, solo se habían publicado dos proyectos metagenómicos. [5]

Genomas bacterianos

Gráfico logarítmico del número total de proteínas anotadas en genomas enviados a GenBank en función del tamaño del genoma. Basado en datos de informes genómicos del NCBI .

Las bacterias poseen una arquitectura genómica compacta distinta de los eucariotas en dos formas importantes: las bacterias muestran una fuerte correlación entre el tamaño del genoma y el número de genes funcionales en un genoma, y ​​esos genes están estructurados en operones . [9] [10] La razón principal de la densidad relativa de los genomas bacterianos en comparación con los genomas eucariotas (especialmente los eucariotas multicelulares) es la presencia de ADN no codificante en forma de regiones intergénicas e intrones . [10] Algunas excepciones notables incluyen bacterias patógenas de formación reciente. Esto se describió inicialmente en un estudio de Cole et al . en el que se descubrió que Mycobacterium leprae tenía un porcentaje significativamente mayor de pseudogenes a genes funcionales (~40%) que sus ancestros de vida libre. [7]

Además, entre las especies de bacterias, existe una variación relativamente pequeña en el tamaño del genoma en comparación con los tamaños de los genomas de otros grupos importantes de seres vivos. [6] El tamaño del genoma tiene poca relevancia cuando se considera el número de genes funcionales en las especies eucariotas. En las bacterias, sin embargo, la fuerte correlación entre el número de genes y el tamaño del genoma hace que el tamaño de los genomas bacterianos sea un tema interesante para la investigación y el debate. [11]

Las tendencias generales de la evolución bacteriana indican que las bacterias comenzaron como organismos de vida libre. Las rutas evolutivas llevaron a algunas bacterias a convertirse en patógenos y simbiontes . Los estilos de vida de las bacterias desempeñan un papel integral en el tamaño de sus respectivos genomas. Las bacterias de vida libre tienen los genomas más grandes de los tres tipos de bacterias; sin embargo, tienen menos pseudogenes que las bacterias que han adquirido patogenicidad recientemente .

Las bacterias patógenas facultativas y recientemente evolucionadas exhiben un tamaño de genoma más pequeño que las bacterias de vida libre, pero tienen más pseudogenes que cualquier otra forma de bacteria.

Los simbiontes o patógenos bacterianos obligados tienen los genomas más pequeños y la menor cantidad de pseudogenes de los tres grupos. [12] La relación entre los estilos de vida de las bacterias y el tamaño del genoma plantea interrogantes sobre los mecanismos de evolución del genoma bacteriano. Los investigadores han desarrollado varias teorías para explicar los patrones de evolución del tamaño del genoma entre las bacterias.

Comparaciones de genomas

A medida que las comparaciones de un solo gen han dado paso en gran medida a las comparaciones de genomas, la filogenia de los genomas bacterianos ha mejorado en precisión. El método de identidad de nucleótidos promedio (ANI) cuantifica la distancia genética entre genomas completos aprovechando regiones de aproximadamente 10 000 pb. Con suficientes datos de genomas de un género, se ejecutan algoritmos para categorizar las especies. Esto se ha hecho para la especie Pseudomonas avellanae en 2013 [5] y para todas las bacterias y arqueas secuenciadas desde 2020. [13] Los valores de ANI observados entre secuencias parecen tener una "brecha de ANI" del 85-95 %, lo que sugiere que existe un límite genético adecuado para definir un concepto de especie. [14]

Para extraer información sobre los genomas bacterianos, se han evaluado los tamaños de los genomas centrales y pangenómicos de varias cepas de bacterias. En 2012, el número de familias de genes centrales era de unas 3000. Sin embargo, en 2015, con un aumento de más de diez veces en los genomas disponibles, el pangenoma también ha aumentado. Existe aproximadamente una correlación positiva entre el número de genomas añadidos y el crecimiento del pangenoma. Por otro lado, el genoma central ha permanecido estático desde 2012. Actualmente, el pangenoma de E. coli está compuesto por unas 90.000 familias de genes. Alrededor de un tercio de ellas existen solo en un único genoma. Sin embargo, muchas de ellas son simplemente fragmentos de genes y el resultado de errores de llamada. Aun así, es probable que haya más de 60.000 familias de genes únicas en E. coli . [5]

Teorías de la evolución del genoma bacteriano

Las bacterias pierden una gran cantidad de genes a medida que pasan de ciclos de vida libres o de parásitos facultativos a una vida permanente dependiente del huésped. Hacia el extremo inferior de la escala del tamaño del genoma bacteriano se encuentran los micoplasmas y las bacterias relacionadas. Los primeros estudios filogenéticos moleculares revelaron que los micoplasmas representaban un estado derivado evolutivamente, contrariamente a las hipótesis anteriores. Además, ahora se sabe que los micoplasmas son solo un ejemplo de muchos casos de encogimiento del genoma en bacterias asociadas obligadamente al huésped. Otros ejemplos son Rickettsia , Buchnera aphidicola y Borrelia burgdorferi . [15]

El pequeño tamaño del genoma en estas especies se asocia con ciertas particularidades, como la rápida evolución de las secuencias polipeptídicas y el bajo contenido de GC en el genoma. La evolución convergente de estas cualidades en bacterias no relacionadas sugiere que una asociación obligada con un huésped promueve la reducción del genoma. [15]

Dado que más del 80% de casi todos los genomas bacterianos completamente secuenciados consisten en ORFs intactos, y que la longitud de los genes es casi constante en ~1 kb por gen, se infiere que los genomas pequeños tienen pocas capacidades metabólicas. Mientras que las bacterias de vida libre, como E. coli , especies de Salmonella o especies de Bacillus , suelen tener entre 1500 y 6000 proteínas codificadas en su ADN, las bacterias patógenas obligadas a menudo tienen tan solo entre 500 y 1000 de esas proteínas. [15]

Una posible explicación es que los genomas reducidos mantienen genes necesarios para procesos vitales relacionados con el crecimiento y la replicación celular , además de aquellos genes que se requieren para sobrevivir en el nicho ecológico de las bacterias . Sin embargo, los datos de secuencias contradicen esta hipótesis. El conjunto de ortólogos universales entre las eubacterias comprende solo el 15% de cada genoma. Por lo tanto, cada linaje ha tomado un camino evolutivo diferente hacia un tamaño reducido. Debido a que los procesos celulares universales requieren más de 80 genes, la variación en los genes implica que se pueden lograr las mismas funciones mediante la explotación de genes no homólogos. [15]

Las bacterias dependientes del huésped pueden obtener muchos compuestos necesarios para el metabolismo del citoplasma o tejido del huésped. A su vez, pueden descartar sus propias vías biosintéticas y genes asociados. Esta eliminación explica muchas de las pérdidas de genes específicos. Por ejemplo, la especie Rickettsia , que depende de un sustrato energético específico de su huésped, ha perdido muchos de sus genes nativos del metabolismo energético. De manera similar, la mayoría de los genomas pequeños han perdido sus genes de biosíntesis de aminoácidos , ya que estos se encuentran en el huésped. Una excepción es Buchnera , un simbionte obligado de pulgones transmitido por vía materna. Conserva 54 genes para la biosíntesis de aminoácidos cruciales, pero ya no tiene vías para aquellos aminoácidos que el huésped puede sintetizar. Las vías para la biosíntesis de nucleótidos han desaparecido de muchos genomas reducidos. Esas vías anabólicas que evolucionaron a través de la adaptación al nicho permanecen en genomas particulares. [15]

La hipótesis de que los genes no utilizados se eliminan con el tiempo no explica por qué muchos de los genes eliminados seguirían siendo útiles en los patógenos obligados. Por ejemplo, muchos genes eliminados codifican productos que participan en procesos celulares universales, como la replicación, la transcripción y la traducción . Incluso los genes que apoyan la recombinación y la reparación del ADN se eliminan de cada genoma pequeño. Sin embargo, se descubrió que algunos genes, como los que codifican la proteína RecA , eran casi ubicuos, lo que indica que una gran mayoría de genomas bacterianos probablemente sean capaces de recombinación homóloga . [16] Además, los genomas pequeños tienen menos ARNt , y utilizan uno para varios aminoácidos. Por lo tanto, un solo codón se empareja con múltiples codones, lo que probablemente produce una maquinaria de traducción menos que óptima. Se desconoce por qué los patógenos intracelulares obligados se beneficiarían al retener menos ARNt y menos enzimas de reparación del ADN. [15]

Otro factor a considerar es el cambio de población que corresponde a una evolución hacia una vida patógena obligada. Tal cambio en el estilo de vida a menudo resulta en una reducción en el tamaño de la población genética de un linaje, ya que hay un número finito de huéspedes para ocupar. Esta deriva genética puede resultar en la fijación de mutaciones que inactivan genes que de otro modo serían beneficiosos, o puede disminuir la eficiencia de los productos génicos. Por lo tanto, no solo se perderán genes inútiles (ya que las mutaciones los alteran una vez que la bacteria se ha establecido en la dependencia del huésped), sino que también pueden perderse genes beneficiosos si la deriva genética impone una selección purificadora ineficaz . [15]

El número de genes universalmente mantenidos es pequeño e inadecuado para el crecimiento y replicación celular independiente, de modo que las especies de genoma pequeño deben lograr tales hazañas mediante la variación de genes. Esto se hace en parte mediante el desplazamiento de genes no ortólogos. Es decir, la función de un gen es reemplazada por otro gen que logra la misma función. Se elimina la redundancia dentro del genoma ancestral, más grande. El contenido de genoma pequeño de los descendientes depende del contenido de deleciones cromosómicas que ocurren en las primeras etapas de la reducción del genoma. [15]

El genoma muy pequeño de M. genitalium posee genes prescindibles. En un estudio en el que se inactivaron genes individuales de este organismo mediante mutagénesis mediada por transposones, al menos 129 de sus 484 ORG no fueron necesarios para el crecimiento. Por lo tanto, es factible un genoma mucho más pequeño que el de M. genitalium . [15]

Duplicación del tiempo

Una teoría predice que las bacterias tienen genomas más pequeños debido a una presión selectiva sobre el tamaño del genoma para asegurar una replicación más rápida. La teoría se basa en la premisa lógica de que los genomas bacterianos más pequeños tardarán menos tiempo en replicarse. Posteriormente, los genomas más pequeños serán seleccionados preferentemente debido a una mejor aptitud. Un estudio realizado por Mira et al. indicó poca o ninguna correlación entre el tamaño del genoma y el tiempo de duplicación . [17] Los datos indican que la selección no es una explicación adecuada para los pequeños tamaños de los genomas bacterianos. Aún así, muchos investigadores creen que existe cierta presión selectiva sobre las bacterias para mantener un tamaño pequeño del genoma .

Sesgo de deleción

La selección es sólo un proceso involucrado en la evolución. Otros dos procesos importantes ( la mutación y la deriva genética ) pueden explicar los tamaños del genoma de varios tipos de bacterias. Un estudio realizado por Mira et al. examinó el tamaño de las inserciones y deleciones en pseudogenes bacterianos. Los resultados indicaron que las deleciones mutacionales tienden a ser más grandes que las inserciones en bacterias en ausencia de transferencia genética o duplicación genética . [17] Las inserciones causadas por la transferencia genética horizontal o lateral y la duplicación genética tienden a implicar la transferencia de grandes cantidades de material genético. Suponiendo una falta de estos procesos, los genomas tenderán a reducirse en tamaño en ausencia de restricción selectiva. La evidencia de un sesgo de deleción está presente en los respectivos tamaños del genoma de bacterias de vida libre, parásitos facultativos y recientemente derivados y parásitos obligados y simbiontes .

Las bacterias de vida libre tienden a tener poblaciones grandes y están sujetas a más oportunidades de transferencia de genes. Como tal, la selección puede operar efectivamente en bacterias de vida libre para eliminar secuencias deletéreas, lo que da como resultado un número relativamente pequeño de pseudogenes . Continuamente, se evidencia una mayor presión selectiva, ya que las bacterias de vida libre deben producir todos los productos genéticos independientemente de un huésped. Dado que existe suficiente oportunidad para que se produzca la transferencia de genes y existen presiones selectivas contra eliminaciones incluso ligeramente deletéreas, es intuitivo que las bacterias de vida libre deberían tener los genomas bacterianos más grandes de todos los tipos de bacterias.

Los parásitos recién formados sufren cuellos de botella severos y pueden depender de los entornos del hospedador para obtener productos genéticos. Por ello, en los parásitos recién formados y facultativos, hay una acumulación de pseudogenes y elementos transponibles debido a la falta de presión selectiva contra las deleciones. Los cuellos de botella poblacionales reducen la transferencia de genes y, por lo tanto, el sesgo de deleción asegura la reducción del tamaño del genoma en las bacterias parásitas.

Los parásitos y simbiontes obligatorios tienen los tamaños de genoma más pequeños debido a los efectos prolongados del sesgo de deleción. Los parásitos que han evolucionado para ocupar nichos específicos no están expuestos a mucha presión selectiva. Como tal, la deriva genética domina la evolución de las bacterias específicas de nicho. La exposición prolongada al sesgo de deleción asegura la eliminación de la mayoría de las secuencias superfluas. Los simbiontes se producen en cantidades drásticamente menores y sufren los cuellos de botella más severos de cualquier tipo bacteriano. Casi no hay oportunidad de transferencia de genes para las bacterias endosimbióticas y, por lo tanto, la compactación del genoma puede ser extrema. Uno de los genomas bacterianos más pequeños que se ha secuenciado es el del endosimbionte Carsonella rudii . [18] A 160 kbp, el genoma de Carsonella es uno de los ejemplos más simplificados de un genoma examinado hasta la fecha.

Reducción genómica

La filogenética molecular ha revelado que cada clado de bacterias con tamaños de genoma inferiores a 2 Mb se derivó de ancestros con genomas mucho más grandes, refutando así la hipótesis de que las bacterias evolucionaron por la duplicación sucesiva de ancestros de genoma pequeño. [19] Estudios recientes realizados por Nilsson et al. examinaron las tasas de reducción del genoma bacteriano de bacterias obligadas. Las bacterias se cultivaron introduciendo cuellos de botella frecuentes y haciendo crecer las células en pases seriados para reducir la transferencia de genes de modo de imitar las condiciones de las bacterias endosimbióticas. Los datos predijeron que las bacterias que exhiben un tiempo de generación de un día pierden hasta 1.000 kbp en tan solo 50.000 años (un período de tiempo evolutivo relativamente corto). Además, después de eliminar genes esenciales para el sistema de reparación de errores de apareamiento del ADN dirigido por metilo (MMR), se demostró que la reducción del tamaño del genoma bacteriano aumentó en tasa hasta 50 veces. [20] Estos resultados indican que la reducción del tamaño del genoma puede ocurrir con relativa rapidez y la pérdida de ciertos genes puede acelerar el proceso de compactación del genoma bacteriano.

Esto no quiere decir que todos los genomas bacterianos se estén reduciendo en tamaño y complejidad. Si bien muchos tipos de bacterias han reducido el tamaño de su genoma a partir de un estado ancestral, todavía hay una gran cantidad de bacterias que mantuvieron o aumentaron el tamaño de su genoma a lo largo de estados ancestrales. [8] Las bacterias de vida libre experimentan enormes tamaños de población, tiempos de generación rápidos y un potencial relativamente alto de transferencia de genes. Si bien el sesgo de deleción tiende a eliminar secuencias innecesarias, la selección puede operar significativamente entre las bacterias de vida libre, lo que resulta en la evolución de nuevos genes y procesos.

Transferencia horizontal de genes

A diferencia de los eucariotas, que evolucionan principalmente a través de la modificación de la información genética existente, las bacterias han adquirido un gran porcentaje de su diversidad genética mediante la transferencia horizontal de genes . Esto crea genomas bastante dinámicos, en los que el ADN puede introducirse y extraerse del cromosoma. [21]

Las bacterias presentan una mayor variación en sus propiedades metabólicas, estructuras celulares y estilos de vida de la que se puede explicar únicamente mediante mutaciones puntuales. Por ejemplo, ninguno de los rasgos fenotípicos que distinguen a E. coli de Salmonella enterica se puede atribuir a una mutación puntual. Por el contrario, la evidencia sugiere que la transferencia horizontal de genes ha impulsado la diversificación y la especiación de muchas bacterias. [21]

La transferencia horizontal de genes suele detectarse a través de la información de la secuencia de ADN. Los segmentos de ADN obtenidos mediante este mecanismo suelen revelar una distribución filogenética estrecha entre especies relacionadas. Además, estas regiones a veces muestran un nivel inesperado de similitud con genes de taxones que se supone que son bastante divergentes. [21]

Aunque las comparaciones genéticas y los estudios filogenéticos son útiles para investigar la transferencia horizontal de genes, las secuencias de ADN de los genes son aún más reveladoras de su origen y ascendencia dentro de un genoma. Las especies bacterianas difieren ampliamente en el contenido general de GC, aunque los genes en el genoma de cualquier especie son aproximadamente idénticos con respecto a la composición de bases, los patrones de uso de codones y las frecuencias de di- y trinucleótidos. Como resultado, las secuencias que se adquieren recientemente a través de la transferencia lateral se pueden identificar a través de sus características, que siguen siendo las del donante. Por ejemplo, muchos de los genes de S. enterica que no están presentes en E. coli tienen composiciones de bases que difieren del contenido general de GC del 52% de todo el cromosoma. Dentro de esta especie, algunos linajes tienen más de una megabase de ADN que no está presente en otros linajes. Las composiciones de bases de estas secuencias específicas del linaje implican que al menos la mitad de estas secuencias se capturaron a través de la transferencia lateral. Además, las regiones adyacentes a los genes obtenidos horizontalmente a menudo tienen restos de elementos translocables, orígenes de transferencia de plásmidos o sitios de unión conocidos de integrasas de fagos . [21]

En algunas especies, una gran proporción de genes transferidos lateralmente se originan a partir de secuencias relacionadas con plásmidos, fagos o transposones . [21]

Aunque los métodos basados ​​en secuencias revelan la prevalencia de la transferencia horizontal de genes en bacterias, los resultados tienden a subestimar la magnitud de este mecanismo, ya que las secuencias obtenidas de donantes cuyas características de secuencia son similares a las del receptor evitarán la detección. [21]

Las comparaciones de genomas completamente secuenciados confirman que los cromosomas bacterianos son amalgamas de secuencias ancestrales y adquiridas lateralmente. Las eubacterias hipertermófilas Aquifex aeolicus y Thermotoga maritima tienen cada una muchos genes que son similares en secuencia proteica a homólogos en Archaea termófilas. El 24% de los 1.877 ORF de Thermotoga y el 16% de los 1.512 ORF de Aquifex muestran altas coincidencias con una proteína Archaeal, mientras que los mesófilos como E. coli y B. subtilis tienen proporciones mucho menores de genes que son más similares a los homólogos Archaeal. [21]

Mecanismos de transferencia lateral

La génesis de nuevas capacidades mediante transferencia horizontal de genes tiene tres requisitos. En primer lugar, debe existir una ruta posible para que el ADN donante sea aceptado por la célula receptora. Además, la secuencia obtenida debe estar integrada con el resto del genoma. Por último, estos genes integrados deben beneficiar al organismo bacteriano receptor. Los dos primeros pasos se pueden lograr mediante tres mecanismos: transformación, transducción y conjugación. [21]

La transformación implica la absorción de ADN específico del entorno. A través de la transformación, el ADN puede transmitirse entre organismos distantes. Algunas especies bacterianas, como Haemophilus influenzae y Neisseria gonorrhoeae , son continuamente competentes para aceptar ADN. Otras especies, como Bacillus subtilis y Streptococcus pneumoniae , se vuelven competentes cuando entran en una fase particular de su ciclo de vida.

La transformación en N. gonorrhoeae y H. influenzae es efectiva solo si se encuentran secuencias de reconocimiento particulares en los genomas receptores (5'-GCCGTCTGAA-3' y 5'-AAGTGCGGT-3', respectivamente). Aunque la existencia de ciertas secuencias de captación mejora la capacidad de transformación entre especies relacionadas, muchas de las especies bacterianas inherentemente competentes, como B. subtilis y S. pneumoniae , no muestran preferencia de secuencia.

Un bacteriófago que se ha replicado en un donante puede introducir nuevos genes en las bacterias mediante transducción generalizada o especializada. La cantidad de ADN que se puede transmitir en un evento está limitada por el tamaño de la cápside del fago (aunque el límite superior es de aproximadamente 100 kilobases). Si bien los fagos son numerosos en el medio ambiente, la variedad de microorganismos que se pueden transducir depende del reconocimiento del receptor por parte del bacteriófago. La transducción no requiere que tanto las células del donante como las del receptor estén presentes simultáneamente en el tiempo ni en el espacio. Las proteínas codificadas por los fagos median la transferencia de ADN al citoplasma del receptor y ayudan a la integración del ADN en el cromosoma. [21]

La conjugación implica el contacto físico entre las células del donante y del receptor y es capaz de mediar en la transferencia de genes entre dominios, como entre bacterias y levaduras. El ADN se transmite del donante al receptor mediante plásmidos autotransmisibles o movilizables. La conjugación puede mediar en la transferencia de secuencias cromosómicas mediante plásmidos que se integran en el cromosoma.

A pesar de la multitud de mecanismos que median la transferencia de genes entre bacterias, el éxito del proceso no está garantizado a menos que la secuencia recibida se mantenga estable en el receptor. La integración del ADN puede mantenerse mediante uno de muchos procesos. Uno es la persistencia como episoma, otro es la recombinación homóloga y otro más es la incorporación ilegítima mediante una reparación afortunada de la rotura de la doble cadena. [21]

Transformación natural

La transformación natural es un proceso de transferencia de ADN que depende de la expresión de numerosos genes bacterianos. [22] Para que una bacteria se una, absorba y recombine ADN exógeno en su cromosoma, debe entrar en un estado fisiológico especial denominado “competencia” . El desarrollo de la competencia en la bacteria Bacillus subtilis requiere la expresión de unos 40 genes. [23] En general, el ADN integrado en el cromosoma huésped se deriva (con raras excepciones) de otra bacteria de la misma especie y, por lo tanto, es homólogo al cromosoma residente. En B. subtilis, la longitud del ADN transferido es de más de 1 millón de bases, es probable que sea ADN de doble cadena y, a menudo, es más de un tercio de la longitud total del cromosoma de 4215 kb. [24] Aproximadamente el 7-9% de las células receptoras absorben un cromosoma entero. [25]

La capacidad de transformación natural parece ser común entre los procariotas, y hasta ahora se sabe que 67 especies procariotas (en siete filos diferentes) experimentan este proceso. [26] La competencia para la transformación es inducida típicamente por alta densidad celular y/o limitación nutricional, condiciones asociadas con la fase estacionaria del crecimiento bacteriano. La competencia también es inducida específicamente por condiciones que dañan el ADN . Por ejemplo, la transformación es inducida en Streptococcus pneumoniae por los agentes dañinos del ADN mitomicina C (un agente de reticulación del ADN) y fluoroquinolona (un inhibidor de la topoisomerasa que causa roturas de doble cadena). [27] En Bacillus subtilis , la transformación es estimulada por la exposición a la luz UV, un agente dañino del ADN. [28] En Helicobacter pylori , la ciprofloxacina, un agente que interactúa con la ADN girasa y causa roturas de doble cadena, induce la expresión de genes de competencia, aumentando así la frecuencia de transformación. [29] Utilizando Legionella pneumophila , Charpentier et al. [30] examinaron 64 moléculas tóxicas para averiguar cuáles de ellas inducían competencia. De estos compuestos tóxicos, sólo seis, todos ellos agentes que dañan el ADN, causaron una fuerte inducción.

Las bacterias que crecen de forma logarítmica difieren de las bacterias en fase estacionaria en cuanto al número de copias del genoma presentes en la célula, y esto tiene implicaciones para la capacidad de llevar a cabo un importante proceso de reparación del ADN . Durante el crecimiento logarítmico, normalmente hay dos o más copias de cualquier región particular del cromosoma en una célula bacteriana, ya que la división celular no coincide exactamente con la replicación cromosómica. La reparación por recombinación homóloga es un importante proceso de reparación del ADN que es particularmente eficaz para reparar daños en la doble cadena, como roturas de doble cadena. Este proceso de reparación del ADN depende de un segundo cromosoma homólogo además del cromosoma dañado. Durante el crecimiento logarítmico, un daño del ADN en un cromosoma puede eliminarse mediante la reparación por recombinación homóloga utilizando información de secuencia del otro cromosoma homólogo. Sin embargo, cuando las células se acercan a la fase estacionaria, normalmente tienen solo una copia del cromosoma, y ​​la reparación por recombinación homóloga requiere entonces la introducción de una plantilla homóloga desde fuera de la célula mediante transformación. [31] Para determinar si la función adaptativa de la transformación es la reparación de los daños en el ADN, se realizó una serie de experimentos utilizando B. subtilis irradiada con luz UV como agente dañino (revisado por Michod et al. [32] y Bernstein et al. [31] ) Estos experimentos produjeron resultados que indican que la transformación del ADN actúa para reparar los daños potencialmente letales del ADN causados ​​por la luz UV en el ADN receptor. El proceso particular probablemente responsable de la reparación fue la reparación recombinacional homóloga. Por lo tanto, la transformación en bacterias puede considerarse como un proceso sexual primitivo, en el sentido de que implica la interacción del ADN homólogo de dos individuos para formar ADN recombinante que luego se transmite a las generaciones sucesivas. La transformación bacteriana en procariotas puede haber sido el proceso ancestral que evolucionó hacia la reproducción sexual meiótica en eucariotas (ver Evolución de la reproducción sexual ; Meiosis ).

Rasgos introducidos mediante transferencia lateral de genes

Los genes de resistencia a los antimicrobianos otorgan a un organismo la capacidad de desarrollar su nicho ecológico, ya que ahora puede sobrevivir en presencia de compuestos que antes eran letales. Como el beneficio que obtiene una bacteria al recibir dichos genes es independiente del tiempo y del espacio, se seleccionan aquellas secuencias que son altamente móviles. Los plásmidos son bastante movilizables entre taxones y son la forma más frecuente por la que las bacterias adquieren genes de resistencia a los antibióticos.

La adopción de un estilo de vida patógeno suele producir un cambio fundamental en el nicho ecológico de un organismo. La distribución filogenética errática de los organismos patógenos implica que la virulencia bacteriana es consecuencia de la presencia u obtención de genes que faltan en las formas avirulentas. Prueba de ello es el descubrimiento de grandes plásmidos de "virulencia" en Shigella y Yersinia patógenas , así como la capacidad de conferir propiedades patógenas a E. coli mediante la exposición experimental a genes de otras especies. [21]

Formulario creado por computadora

En abril de 2019, los científicos de la ETH de Zúrich informaron sobre la creación del primer genoma bacteriano del mundo, llamado Caulobacter ethensis-2.0 , realizado íntegramente por computadora, aunque todavía no existe una forma viable relacionada de C. ethensis-2.0 . [33] [34]

Véase también

Referencias

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