La genética microbiana es un área temática dentro de la microbiología y la ingeniería genética . La genética microbiana estudia los microorganismos con diferentes fines. Los microorganismos que se observan son bacterias y arqueas. Algunos hongos y protozoos también son temas de estudio en este campo. Los estudios de microorganismos implican estudios de genotipo y sistema de expresión. Los genotipos son las composiciones heredadas de un organismo. (Austin, "Genotype", nd) La ingeniería genética es un campo de trabajo y estudio dentro de la genética microbiana. [1] El uso de tecnología de ADN recombinante es un proceso de este trabajo. [1] El proceso implica la creación de moléculas de ADN recombinante mediante la manipulación de una secuencia de ADN. [1] Ese ADN creado está luego en contacto con un organismo huésped. La clonación es también un ejemplo de ingeniería genética. [1]
Desde el descubrimiento de los microorganismos por Robert Hooke y Antoni van Leeuwenhoek durante el período 1665-1885 [2], se han utilizado para estudiar muchos procesos y han tenido aplicaciones en diversas áreas de estudio de la genética. Por ejemplo: los científicos utilizan las rápidas tasas de crecimiento de los microorganismos y sus cortos tiempos de generación para estudiar la evolución. Los descubrimientos de Robert Hooke y Antoni van Leeuwenhoek implicaron representaciones, observaciones y descripciones de microorganismos. [3] Mucor es el microhongo que Hooke presentó y describió. [4] Su contribución fue Mucor como el primer microorganismo ilustrado. La contribución de Antoni van Leeuwenhoek a los protozoos y bacterias microscópicos dio lugar a observaciones y descripciones científicas. [4] Estas contribuciones se lograron mediante un microscopio simple, que condujo a la comprensión de los microbios hoy y continúa avanzando en la comprensión de los científicos. [5] La genética microbiana también tiene aplicaciones para poder estudiar procesos y vías similares a los que se encuentran en los humanos, como el metabolismo de los fármacos . [6]
La genética microbiana puede centrarse en el trabajo de Charles Darwin y los científicos han seguido estudiando su trabajo y sus teorías mediante el uso de microbios. [7] Específicamente, la teoría de la selección natural de Darwin es una fuente utilizada. El estudio de la evolución mediante el uso de la genética microbiana implica que los científicos observen el equilibrio evolutivo. [1] Un ejemplo de cómo pueden lograr esto es estudiar la selección natural o la deriva de microbios. [7] La aplicación de este conocimiento proviene de buscar la presencia o ausencia de diferentes maneras. [7] Las formas incluyen la identificación de ciertas vías, genes y funciones. Una vez que se observa al sujeto, los científicos pueden compararlo con una secuencia de un gen conservado. [1] El proceso de estudiar la evolución microbiana de esta manera carece de la capacidad de dar una escala de tiempo de cuándo tuvo lugar la evolución. [7] Sin embargo, al probar la evolución de esta manera, los científicos pueden conocer los ritmos y resultados de la evolución. El estudio de la relación entre los microbios y el medio ambiente es un componente clave para la evolución de la genética microbiana. [8]
Las bacterias han estado en este planeta durante aproximadamente 3.500 millones de años y se clasifican por su forma. [9] La genética bacteriana estudia los mecanismos de su información hereditaria, sus cromosomas , plásmidos , transposones y fagos . [10]
Los sistemas de transferencia de genes que se han estudiado ampliamente en bacterias incluyen la transformación , conjugación y transducción genética . La transformación natural es una adaptación bacteriana para la transferencia de ADN entre dos células a través del medio intermedio. La captación del ADN del donante y su incorporación recombinacional en el cromosoma del receptor depende de la expresión de numerosos genes bacterianos cuyos productos dirigen este proceso. [11] [12] En general, la transformación es un proceso de desarrollo complejo que requiere energía y que parece ser una adaptación para reparar el daño del ADN. [13]
La conjugación bacteriana es la transferencia de material genético entre células bacterianas mediante contacto directo de célula a célula o mediante una conexión tipo puente entre dos células. La conjugación bacteriana se ha estudiado ampliamente en Escherichia coli , pero también ocurre en otras bacterias como Mycobacterium smegmatis . La conjugación requiere un contacto estable y prolongado entre un donante y una cepa receptora, es resistente a la ADNasa y el ADN transferido se incorpora al cromosoma receptor mediante recombinación homóloga . La conjugación de E. coli está mediada por la expresión de genes plásmidos , mientras que la conjugación de micobacterias está mediada por genes del cromosoma bacteriano. [14]
La transducción es el proceso mediante el cual un virus o vector viral introduce ADN extraño en una célula . La transducción es una herramienta común utilizada por los biólogos moleculares para introducir de manera estable un gen extraño en el genoma de una célula huésped .
Archaea es un dominio de organismos procarióticos , unicelulares y se cree que se desarrollaron hace 4 mil millones de años. "No tienen núcleo celular ni ningún otro orgánulo dentro de sus células". Las arqueas se replican asexualmente en un proceso conocido como fisión binaria. El ciclo de división celular incluye el momento en que se replican los cromosomas de las células hijas. Debido a que las arqueas tienen una estructura cromosómica singular, las dos células hijas se separan y la célula se divide. Las arqueas tienen motilidad incluida con flagelos , que es una estructura similar a una cola. Los cromosomas de arqueas se replican desde diferentes orígenes de replicación, produciendo dos células hijas haploides. [15] " [16] Comparten un ancestro común con las bacterias , pero están más estrechamente relacionados con los eucariotas en comparación con las bacterias. [17] Algunas arqueas son capaces de sobrevivir en ambientes extremos, lo que conduce a muchas aplicaciones en el campo de la genética. Una de esas aplicaciones es el uso de enzimas de arqueas, que podrían sobrevivir mejor en condiciones duras in vitro [18] .
La transferencia de genes y el intercambio genético se han estudiado en la arqueona halófila Halobacterium volcanii y las arqueonas hipertermófilas Sulfolobus solfataricus y Sulfolobus acidocaldarius . H. volcani forma puentes citoplasmáticos entre células que parecen usarse para la transferencia de ADN de una célula a otra en cualquier dirección. [19] Cuando S. solfataricus y S. acidocaldarius se exponen a agentes que dañan el ADN, se induce una agregación celular específica de cada especie. La agregación celular media el intercambio de marcadores cromosómicos y la recombinación genética con alta frecuencia. Se cree que la agregación celular mejora la transferencia de ADN específica de especies entre células de Sulfolobus para proporcionar una mayor reparación del ADN dañado mediante recombinación homóloga . [20] [21] [22] Las arqueas se dividen en 3 subgrupos que son halófilos , metanógenos y termoacidófilos . El primer grupo, los metanógenos, son arqueobacterias que viven en pantanos y marismas, así como en el intestino de los humanos. También desempeñan un papel importante en la descomposición y descomposición de organismos muertos. Los metanógenos son organismos anaeróbicos que mueren cuando se exponen al oxígeno. El segundo subgrupo de arqueobacterias, las halófilas, son organismos que están presentes en áreas con alta concentración de sal como el Gran Lago Salado y el Mar Muerto. El tercer subgrupo de los termoacidófilos, también llamados termófilos, son organismos que viven en zonas ácidas. Están presentes en áreas con niveles bajos de pH, como aguas termales y géiseres. La mayoría de los termófilos se encuentran en el Parque Nacional de Yellowstone. [23]
Archaeal Genetics es el estudio de genes que consisten en células sin núcleo único. [24] Las arqueas tienen cromosomas circulares únicos que contienen múltiples orígenes de replicación para el inicio de la síntesis de ADN. [25] La replicación del ADN de Archaea implica procesos similares que incluyen iniciación, elongación y terminación. La primasa utilizada para sintetizar un cebador de ARN varía en comparación con los eucariotas. La primasa de arqueas es una versión altamente derivada del motivo de reconocimiento de ARN (RRM). [25] Las arqueas provienen de bacterias Gram positivas, las cuales tienen una única bicapa lipídica, que son resistentes a los antibióticos. Las arqueas son similares a las mitocondrias en los eucariotas en que liberan energía en forma de trifosfato de adenosina (ATP) a través de una reacción química llamada metabolismo. [25] Algunas arqueas conocidas como arqueas fototróficas utilizan la energía del sol para producir ATP. La ATP sintasa se utiliza como fotofosforilación para convertir sustancias químicas en ATP. [15]
Las arqueas y las bacterias son estructuralmente similares aunque no están estrechamente relacionadas en el árbol de la vida. Las formas tanto de las bacterias como de las células de las arqueas varían desde una forma esférica conocida como cocos hasta una forma de bastón conocida como bacilo. También están relacionados sin membrana interna y con una pared celular que ayuda a la célula a mantener su forma. Aunque las células de las arqueas tienen paredes celulares, no contienen peptidoglicano, lo que significa que las arqueas no producen celulosa ni quitina. Las arqueas están más estrechamente relacionadas con los eucariotas debido al ARNt presente en las arqueas, pero no en las bacterias. Las arqueas tienen los mismos ribosomas que los eucariotas que sintetizan proteínas. [26] Aparte de la morfología de arqueas y bacterias, existen otras diferencias entre estos dominios. Las arqueas que viven en ambientes extremos y hostiles con niveles bajos de pH, como lagos salados, océanos y en el intestino de rumiantes y humanos, también se conocen como extremófilos. Por el contrario, las bacterias se encuentran en diversas áreas, como plantas, animales, suelo y rocas. [27]
Los hongos pueden ser organismos tanto multicelulares como unicelulares y se distinguen de otros microbios por la forma en que obtienen nutrientes. Los hongos secretan enzimas a su entorno para descomponer la materia orgánica. [9] La genética de los hongos utiliza levaduras y hongos filamentosos como organismos modelo para la investigación genética de eucariotas, incluida la regulación del ciclo celular , la estructura de la cromatina y la regulación de los genes . [28]
Los estudios del hongo Neurospora crassa han contribuido sustancialmente a comprender cómo funcionan los genes . N. crassa es un tipo de moho rojo del pan del filo Ascomycota . Se utiliza como organismo modelo porque es fácil de cultivar y tiene un ciclo de vida haploide que simplifica el análisis genético , ya que los rasgos recesivos aparecerán en la descendencia. El análisis de la recombinación genética se ve facilitado por la disposición ordenada de los productos de la meiosis en las ascosporas . En su entorno natural, N. crassa vive principalmente en regiones tropicales y subtropicales. A menudo se puede encontrar creciendo sobre materia vegetal muerta después de incendios.
Neurospora fue utilizada por Edward Tatum y George Beadle en sus experimentos [29] por los que ganaron el Premio Nobel de Fisiología o Medicina en 1958. Los resultados de estos experimentos condujeron directamente a la hipótesis de un gen, una enzima, de que genes específicos codifican para genes específicos. proteínas . Este concepto resultó ser el pistoletazo de salida de lo que se convirtió en la genética molecular y todos los desarrollos que siguieron a ella. [30]
Saccharomyces cerevisiae es una levadura del filo Ascomycota . Durante el crecimiento vegetativo que normalmente ocurre cuando los nutrientes son abundantes, S. cerevisiae se reproduce por mitosis comocélulas diploides . Sin embargo, cuando mueren de hambre, estas células sufren meiosis para formar esporas haploides . [31] El apareamiento ocurre cuando células haploides de tipos de apareamiento opuestos MATa y MATα entran en contacto. Ruderfer et al. [32] señalaron que, en la naturaleza, estos contactos son frecuentes entre células de levadura estrechamente relacionadas por dos razones. La primera es que las células de tipo de apareamiento opuesto están presentes juntas en el mismo acus , el saco que contiene las células producidas directamente por una sola meiosis , y estas células pueden aparearse entre sí. La segunda razón es que las células haploides de un tipo de apareamiento, tras la división celular, a menudo producen células del tipo de apareamiento opuesto. Un análisis de la ascendencia de cepas naturales de S. cerevisiae concluyó que el cruzamiento ocurre con muy poca frecuencia (sólo aproximadamente una vez cada 50.000 divisiones celulares). [32] La relativa rareza en la naturaleza de los eventos meióticos que resultan del cruzamiento sugiere que los posibles beneficios a largo plazo del cruzamiento (por ejemplo, generación de diversidad) probablemente no sean suficientes para mantener en general el sexo de una generación a la siguiente. Más bien, un beneficio a corto plazo, como la reparación recombinante meiótica de los daños en el ADN causados por condiciones estresantes (como el hambre) [33] puede ser la clave para el mantenimiento del sexo en S. cerevisiae .
Candida albicans es un hongo diploide que crece como levadura y como filamento . C. albicans es el hongo patógeno más comúnen humanos. Provoca tanto infecciones mucosas debilitantes como infecciones sistémicas potencialmente mortales. C. albicans ha mantenido un aparato de apareamiento elaborado, pero en gran medida oculto. [34] Johnson [34] sugirió que las estrategias de apareamiento pueden permitir que C. albicans sobreviva en el ambiente hostil de un huésped mamífero.
Entre las 250 especies conocidas de aspergilli , alrededor del 33% tienen un estado sexual identificado. [35] Entre las especies de Aspergillus que exhiben un ciclo sexual, la abrumadora mayoría en la naturaleza son homotálicas (autofertilizantes). [35] La autofecundación en el hongo homotálico Aspergillus nidulans implica la activación de las mismas vías de apareamiento características del sexo en especies alógamas, es decir, la autofecundación no evita las vías requeridas para el sexo alomédico, sino que requiere la activación de estas vías dentro de un solo individuo. [36] La fusión de núcleos haploides se produce dentro de estructuras reproductivas denominadas cleistotecios , en las que el cigoto diploide sufre divisiones meióticas para producir ascosporas haploides .
Los protozoos son organismos unicelulares, que tienen núcleos y cuerpos celulares ultramicroscópicos dentro de su citoplasma. [9] Un aspecto particular de los protozoos que son de interés para los genetistas humanos son sus flagelos , que son muy similares a los flagelos del esperma humano .
Los estudios de Paramecium han contribuido a nuestra comprensión de la función de la meiosis. Como todos los ciliados , Paramecium tiene un macronúcleo poliploide y uno o más micronúcleos diploides . El macronúcleo controla las funciones celulares no reproductivas y expresa los genes necesarios para el funcionamiento diario. El micronúcleo es el núcleo generativo o germinal que contiene el material genético que se transmite de una generación a la siguiente. [37]
En la fase de fisión asexual del crecimiento, durante la cual las divisiones celulares se producen por mitosis en lugar de meiosis , se produce un envejecimiento clonal que conduce a una pérdida gradual de vitalidad. En algunas especies, como la bien estudiada Paramecium tetraurelia , la línea asexual de paramecios que envejecen clonalmente pierde vitalidad y expira después de unas 200 fisiones si las células no logran pasar por meiosis seguida de autogamia (autofertilización) o conjugación (cruzamiento) (ver envejecimiento en Paramecium ). El daño al ADN aumenta dramáticamente durante las sucesivas divisiones celulares clonales y es una causa probable del envejecimiento clonal en P. tetraurelia . [38] [39] [40]
Cuando se estimula a P. tetraurelia envejecida clonalmente para que experimente meiosis en asociación con autogamia o conjugación , la progenie se rejuvenece y puede tener muchas más divisiones de fisión binaria mitótica. Durante cualquiera de estos procesos, los micronúcleos de la(s) célula(s) experimentan meiosis, el macronúcleo antiguo se desintegra y se forma un nuevo macronúcleo mediante la replicación del ADN micronuclear que había experimentado recientemente meiosis. Aparentemente hay poco o ningún daño en el ADN en el nuevo macronúcleo, lo que sugiere que el rejuvenecimiento está asociado con la reparación de estos daños en el micronúcleo durante la meiosis. [ cita necesaria ]
Los virus son organismos que codifican la cápside compuestos de proteínas y ácidos nucleicos que pueden autoensamblarse después de la replicación en una célula huésped utilizando la maquinaria de replicación del huésped. [41] Existe un desacuerdo en la ciencia sobre si los virus viven debido a su falta de ribosomas . [41] Comprender el genoma viral es importante no solo para los estudios en genética sino también para comprender sus propiedades patógenas. [42]
Muchos tipos de virus son capaces de recombinación genética. Cuando dos o más virus individuales del mismo tipo infectan una célula, sus genomas pueden recombinarse entre sí para producir una progenie de virus recombinante. Tanto los virus de ADN como los de ARN pueden sufrir recombinación. Cuando dos o más virus, cada uno de los cuales contiene daños genómicos letales, infectan la misma célula huésped, los genomas del virus a menudo pueden emparejarse entre sí y someterse a una reparación recombinante homóloga para producir una progenie viable. [43] [44] Este proceso se conoce como reactivación de la multiplicidad. [43] [45] Las enzimas empleadas en la reactivación de multiplicidad son funcionalmente homólogas a las enzimas empleadas en la reparación recombinante bacteriana y eucariota. Se ha descubierto que la reactivación de la multiplicidad ocurre con virus patógenos que incluyen el virus de la influenza, el VIH-1, el virus del adenovirus simio 40, el virus vaccinia, el reovirus, el poliovirus y el virus del herpes simple, así como con numerosos bacteriófagos. [45]
Cualquier organismo vivo puede contraer un virus dándole a los parásitos la oportunidad de crecer. Los parásitos se alimentan de los nutrientes de otro organismo, lo que permite que el virus prospere. Una vez que el cuerpo humano detecta un virus, crea células combatientes que atacan al parásito/virus; literalmente, provocando una guerra dentro del cuerpo. [46] Un virus puede afectar cualquier parte del cuerpo causando una amplia gama de enfermedades como la gripe, el resfriado común y las enfermedades de transmisión sexual. [46] La gripe es un virus transmitido por el aire que viaja a través de pequeñas gotas y se conoce formalmente como influenza. Los parásitos viajan por el aire y atacan el sistema respiratorio humano. Las personas que inicialmente están infectadas con este virus transmiten la infección mediante actividades cotidianas normales, como hablar y estornudar. Cuando una persona entra en contacto con el virus, a diferencia del resfriado común, el virus de la gripe afecta a las personas casi de inmediato. Los síntomas de este virus son muy similares a los del resfriado común pero mucho peores. Dolores corporales, dolor de garganta, dolor de cabeza, sudores fríos, dolores musculares y fatiga se encuentran entre los muchos síntomas que acompañan al virus. [47] Una infección viral en el tracto respiratorio superior produce el resfriado común. [48] Con síntomas como dolor de garganta, estornudos, fiebre leve y tos, el resfriado común suele ser inofensivo y tiende a desaparecer en aproximadamente una semana. El resfriado común también es un virus que se transmite por el aire, pero también puede transmitirse por contacto directo. Esta infección tarda unos días en desarrollar síntomas; es un proceso gradual a diferencia de la gripe. [48]
Los microbios son ideales para estudios bioquímicos y genéticos y han hecho enormes contribuciones a estos campos de la ciencia, como la demostración de que el ADN es el material genético, [49] [50] que el gen tiene una estructura lineal simple, [51] que el El código genético es un código triplete, [52] y esa expresión genética está regulada por procesos genéticos específicos. [53] Jacques Monod y François Jacob utilizaron Escherichia coli , un tipo de bacteria, para desarrollar el modelo de operón de expresión genética , que sienta las bases de la expresión y regulación genética. [54] Además, los procesos hereditarios de los microorganismos eucariotas unicelulares son similares a los de los organismos multicelulares, lo que permite a los investigadores recopilar información sobre este proceso también. [55] Otra bacteria que ha contribuido enormemente al campo de la genética es Thermus Aquaticus , que es una bacteria que tolera altas temperaturas. De este microbio los científicos aislaron la enzima Taq polimerasa , que ahora se utiliza en la poderosa técnica experimental, la reacción en cadena de la polimerasa (PCR). [56] Además, el desarrollo de la tecnología del ADN recombinante mediante el uso de bacterias ha llevado al nacimiento de la ingeniería genética y la biotecnología modernas . [9]
Utilizando microbios, se desarrollaron protocolos para insertar genes en plásmidos bacterianos , aprovechando su rápida reproducción, para realizar biofábricas del gen de interés. Estas bacterias genéticamente modificadas pueden producir productos farmacéuticos como insulina , hormona de crecimiento humano , interferones y factores de coagulación sanguínea . [9] Estas biofábricas suelen ser mucho más baratas de operar y mantener que los procedimientos alternativos de producción de productos farmacéuticos. Son como millones de pequeñas máquinas farmacéuticas que sólo requieren materias primas básicas y el entorno adecuado para producir una gran cantidad de producto. La utilización de la incorporación del gen de la insulina humana por sí sola ha tenido profundos impactos en la industria médica. Se cree que las biofábricas podrían ser la clave definitiva para reducir el precio de los costosos compuestos farmacéuticos que salvan vidas.
Los microbios sintetizan una variedad de enzimas para aplicaciones industriales, como alimentos fermentados, reactivos de pruebas de laboratorio, productos lácteos (como la renina ) e incluso en la ropa (como el hongo Trichoderma , cuya enzima se usa para darle a los jeans una apariencia de lavado a la piedra). [9]
Actualmente existe la posibilidad de que los microbios se utilicen como alternativa a los tensioactivos a base de petróleo. Los tensioactivos microbianos seguirían teniendo el mismo tipo de grupos funcionales hidrófilos e hidrófobos que sus homólogos derivados del petróleo, pero tienen numerosas ventajas sobre su competencia. En comparación, los compuestos microbianos anfifílicos tienen una fuerte tendencia a permanecer funcionales en ambientes extremos, como áreas con mucho calor o pH extremo. todo ello siendo biodegradable y menos tóxico para el medio ambiente. Este método de producción eficiente y económico podría ser la solución al consumo mundial cada vez mayor de tensioactivos. Irónicamente, la aplicación de tensioactivos de base biológica con mayor demanda es la industria petrolera, que utiliza tensioactivos en la producción general, así como en el desarrollo de composiciones de aceite específicas. [57]
Los microbios son una fuente abundante de lipasas que tienen una amplia variedad de aplicaciones industriales y de consumo. Las enzimas realizan una amplia variedad de funciones dentro de las células de los seres vivos, por lo que tiene sentido que podamos usarlas para propósitos similares a mayor escala. Las enzimas microbianas suelen ser las preferidas para la producción en masa debido a la amplia variedad de funciones disponibles y su capacidad para producirse en masa. Las enzimas vegetales y animales suelen ser demasiado caras para producirlas en masa, aunque no siempre es así. Especialmente en plantas. Las aplicaciones industriales de las lipasas generalmente incluyen la enzima como un catalizador más eficiente y rentable en la producción de productos químicos comercialmente valiosos a partir de grasas y aceites, porque son capaces de conservar sus propiedades específicas en condiciones suaves y fáciles de mantener y trabajar a un ritmo mayor. . Otras aplicaciones ya exitosas de las enzimas lipolíticas incluyen la producción de biocombustibles, polímeros, productos farmacéuticos no estereoisoméricos, compuestos agrícolas y compuestos que mejoran el sabor. [58]
En lo que respecta a la optimización industrial, el beneficio del método de producción de biofábrica es la capacidad de optimización directa mediante evolución dirigida. La eficiencia y especificidad de la producción aumentarán con el tiempo al imponer la selección artificial. Este método de mejorar la eficiencia no es nada nuevo en la agricultura, pero es un concepto relativamente nuevo en la producción industrial. Se cree que este método será muy superior a los métodos industriales convencionales porque ofrece optimización en múltiples frentes. El primer frente es que los microorganismos que forman las biofábricas pueden evolucionar según nuestras necesidades. El segundo frente es el método convencional de optimización provocado por la integración de tecnologías avanzadas. Esta combinación de avances convencionales y biológicos recién se está utilizando y proporciona un número prácticamente ilimitado de aplicaciones. [59]
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