GENÉTICA MICROBIANA

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GENÉTICA MICROBIANA 
La genética microbiana debe ser analizada desde 8 conceptos fundamentales que son: 
1. Fisión binaria, material genético y replicación del ADN. 
2. Transcripción. 
3. Traducción. 
4. Genoma bacteriano. 
5. Genómica funcional. 
6. Metagenómica. 
7. Evolución del genoma. 
8. Genoma esencial y pangenoma. 
Fisión binaria, material genético y replicación del ADN 
En la primera fase de replicación binaria se produce la replicación del ADN, la pared celular y la membrana comienzan a crecer. En la segunda fase se produce el alargamiento de la célula, en la tercera fase se forma una partición conocida como septo, en la cuarta fase se completa el septo con la formación de las paredes bien diferenciadas para cada célula. En la última fase involucra la producción de dos células hijas resultantes de la división de la célula madre. 
La replicación del cromosoma bacteriano se desencadena por una cascada de sucesos relacionados con la velocidad de crecimiento de la célula. La replicación del ADN bacteriano se inicia en una secuencia específica del cromosoma denominada oriC. Aparte de otras enzimas, el proceso de replicación exige la participación de una helicasa capaz de desenrollar el ADN y exponerlo, una primasa capaz de sintetizar los cebadores que inician el proceso y ADN polimerasas dependientes de ADN que únicamente sintetizan una copia del ADN en presencia de una secuencia cebadora a la que añadir nucleótidos y tan sólo trabajan en dirección 	5’ 	a 	3’. 	El 	ADN 	nuevo 	se 	sintetiza 	de forma semiconservadora y utilizando como plantillas ambas cadenas del ADN de la célula progenitora. 
La síntesis del nuevo ADN tiene lugar en una horquilla de crecimiento y sigue un curso bidireccional. Mientras la cadena adelantada se copia de manera continua en la dirección 5´-3’, la cadena rezagada ha de sintetizarse en forma de numerosas piezas de ADN a partir de cebadores de ARN (fragmentos de Okazaki). A continuación, la ADN-ligasa se encarga de unir las piezas. 
Las ADN-polimerasas poseen funciones de corrección que permiten a la enzima confirmar que se ha insertado el nucleótido correcto y corregir así los posibles errores que pudieran cometerse. La polimerasa se desplaza a lo largo de la cadena de ADN e incorpora en cada posición el nucleótido complementario adecuado. La replicación finaliza cuando las dos horquillas de replicación se encuentran a 180° desde el origen. 
El proceso de replicación del ADN impone una enorme fuerza de torsión sobre la molécula circular de ADN cromosómico, la cual se contrarresta por la acción de las topoisomerasas como la girasa que superenrollan el ADN, por lo que son enzimas clave para las bacterias y constituyen el objetivo de los antibióticos del grupo de las quinolonas. 
 	 
Transcripción 
La información existente en la memoria genética del ADN se transcribe en una molécula de un ARNm para su posterior traducción en proteínas. La síntesis del ARNm ocurre por medio de una ARN-polimerasa dependiente del ADN. 
El proceso comienza cuando el factor sigma reconoce el promotor y se une firmemente con el objetivo de proporcionar un punto de acoplamiento a la ARN-polimerasa. Asimismo, algunas bacterias codifican varios factores sigma para permitir la transcripción de un grupo de genes en condiciones especiales, como shock térmico, inanición, metabolismo especial del nitrógeno o esporulación. 
Tras la unión de la polimerasa a una secuencia adecuada del ADN, se inicia la síntesis del ARN mediante la adición secuencial de los ribonucleótidos complementarios a aquella molécula. La ARN-polimerasa se disocia del ADN cuando se ha transcrito la totalidad de un gen o un grupo de ellos (operón). La ARN-polimerasa dependiente del ADN es inhibida por la rifampicina, un antibiótico utilizado a menudo en el tratamiento de la tuberculosis. 
Los operones son grupos de uno o más genes estructurales expresados a partir de un promotor concreto y que terminan en un terminador de la transcripción. Por tanto, todos los genes que codifican las enzimas implicadas en una vía concreta se pueden regular de forma coordinada. Los operones con muchos genes estructurales se llaman policistrónicos. El operón E. coli lac contiene todos los genes necesarios para el metabolismo de la lactosa y también los mecanismos de control para detener o poner en marcha estos genes exclusivamente cuando se necesitan. El operón lac incluye una secuencia represora, otra promotora y genes estructurales para la enzima β-galactosidasa, para una permeasa y para una acetilasa. 
Traducción 
El proceso de síntesis de proteínas comienza con la fijación de la subunidad ribosómica 30S y un ARNt iniciador especial de la formil-metionina (fMet) al codón de iniciación metionina (AUG) para formar el llamado complejo de iniciación. 
A continuación, la subunidad ribosómica 50S se fija al complejo para iniciar así la síntesis del ARNm. El ribosoma contiene dos zonas para la fijación del ARNt, el lugar A y el lugar P, cada uno de los cuales permite el emparejamiento de bases del ARNt fijado y la secuencia del codón del ARNm. 
El ARNt correspondiente al segundo codón ocupa el lugar A. El grupo amino del aminoácido unido al lugar A forma un puente peptídico con el grupo carboxilo del aminoácido que se encuentra en el lugar P, en una reacción conocida como transpeptidación, y el ARNt vacío en el lugar P se separa del ribosoma. A continuación, el ribosoma avanza exactamente tres nucleótidos en la molécula de ARNm, con lo que se transfiere el ARNt al nuevo péptido unido al lugar P y coloca el siguiente codón en el lugar A. Un ARNt cargado se acerca al lugar A, y el proceso comienza de nuevo. 
La traducción continúa hasta que el codón nuevo del lugar A corresponde a uno de los codones de terminación. La capacidad de desplazamiento a lo largo de la molécula de ARNm para formar una nueva proteína caracteriza al ribosoma 70S de las bacterianas, pero no al ribosoma 80S de los eucariotas. El proceso de síntesis de proteínas por el ribosoma 70S constituye un objetivo importante de la acción de los agentes antimicrobianos. Así, tanto los aminoglucósidos como las tetraciclinas se unen a la subunidad menor del ribosoma y provocan una inhibición de la función normal de éste. De manera semejante, los antibióticos del grupo de los macrólidos actúan uniéndose a la subunidad mayor del ribosoma. 
Igualmente, los péptidos formil metionina atraen neutrófilos al sitio de infección. 
Genoma bacteriano 
Es todo el conjunto de genes que tiene la bacteria, tanto en su cromosoma como en sus elementos genéticos extracromosómicos. Cada genoma contiene muchos operones, que están constituidos por genes. Los genes pueden ser agrupados también en islotes, como los islotes de patogenicidad, que comparten funciones o que coordinan su control. Las bacterias son haploides, por lo que, con sólo un cromosoma, una mutación tendrá un efecto más evidente sobre la célula. Además, la estructura del cromosoma bacteriano se mantiene por las poliaminas, como espermina y espermidina, más que por las histonas. 
Las bacterias también pueden contener elementos genéticos extracromosómicos como plásmidos (como el que se ve en la imagen) y bacteriófagos (virus bacterianos). Estos elementos son independientes del cromosoma bacteriano y en la mayor parte de los casos se pueden transmitir de una célula a otra. 
La palabra genómica se refiere a la disciplina encargada de mapear, secuenciar, analizar y comparar los genomas. Los procariotas prácticamente no tienen intrones. Los genomas microbianos consisten esencialmente en una serie de “marcos abiertos de lectura” (ORF) separados por regiones cortas reguladoras y terminadores transcripcionales. Los ORF son secuencias de ADN o ARN que pueden traducirse para producir un polipéptido, es una región comprendida entre el codón de inicio y el codón de terminación. 
Con respecto al tamaño de los genomas bacterianos, éstos suelen oscilar entre 0,5 y 13 megapares de bases (Mbp=un millón de pares de bases) y estos contienen aproximadamentede 500 a 10000 genes que codifican proteínas. 
Reclasificación basada en genómica 
A medida que aumenta el tamaño de los genomas procariotas. El genoma de un microorganismo concreto define su biología y a la inversa, los genomas están moldeados por adaptación al estilo de vida de los organismos. 
Existe un patrón claro de la distribución génica en procariotas. Los genes metabólicos son normalmente la clase más abundante en los genomas procarióticos, aunque, a medida que disminuye el tamaño del genoma, el porcentaje de genes para la síntesis proteica supera al de los metabólicos 
Secuenciación 
El genoma bacteriano se determina a través de la secuenciación de ADN. En el caso del ADN, la secuencia es el orden en el que están alineados los nucleótidos. 
· Secuenciación de primera generación: Método didesoxi. En este método la secuencia se determina haciendo copias del ADN original de cadena sencilla mediante la enzima DNA polimerasa. Se deben realizar cuatro reacciones in vitro diferentes una con cada di-desoxinucleótido. 
· Secuenciación de segunda generación: Método Pirosecuenciación. Un gran número de muestras son secuenciadas juntas en la misma máquina. En el método de pirosecuenciación, cada vez que se inserta un nuevo desoxirribonucleótido en la cadena creciente de ADN, se libera pirofosfato, que es usado por la enzima sulfurilasa para producir ATP a partir de AMP. El ATP es consumido por la enzima luciferasa que emite luz. 
· Secuenciación de tercera y cuarta generación: se secuencia una única molécula de ADN. Existen dos enfoques fundamentales: uno basado en la microscopia y el otro en la nanotecnología (cuarta generación). Dentro de éste se encuentra el método de secuenciación Ion Torrent que mide la lliberación de protones cada vez que un desoxirribonucleótido se incorpora a la cadena de ADN. Un electrodo mide el cambio de pH resultante. Otro método de cuarta generación es el método de secuenciación por nanoporos donde la doble hélice de ADN se convierte en una cadena para pasar a través de un poro. El paso del ADN a través del nanoporo causa cambios en la carga eléctrica que son específicos para cada base. 
Genómica funcional 
Por analogía con el término “genoma”, el complemento entero de ARN producido en determinadas condiciones se conoce como transcriptoma y las técnicas que lo estudian como transcriptómica. 
El estudio a nivel de todo el genoma de la estructura, la función y la regulación de las proteínas de un organismo recibe el nombre de proteómica. En un sentido más amplio, un proteoma incluye todas las proteínas codificadas por el genoma de un organismo. En un sentido más restringido se refiere a las proteínas presentes en una célula en cualquier momento determinado. Para esta última situación, algunas veces se usa el término traductoma para referirse a cada proteína producida en condiciones determinadas. 
El interactoma es el conjunto completo de interacciones entre las macromoléculas dentro de la célula. Los datos del interactoma se expresan normalmente en la forma de diagramas de redes, donde cada nodo representa una proteína y las líneas de conexión representando las interacciones. 
El metaboloma es el conjunto completo de intermediarios metabólicos y otras moléculas pequeñas producidas en un organismo. Debido a la inmensa diversidad química de los pequeños metabolitos que pueden estar activos en una célula, su estudio sistemático es un gran desafío técnico. Sin embargo, es posible identificar bacterias mediante el análisis de su metaboloma esto se hace a través de una técnica conocida como 
 Espectometría de masas por Maldi-Tof: es una desorción/ionización láser asistida por matriz, donde la muestra es ionizada por un láser y los iones viajan por el tubo hacia el detector. El tiempo de vuelo (TOF) depende de la relación masa/carga del ion. Un ordenador identifica los iones basándose en su TOF, que es el tiempo que tarda en llegar al detector. 
Biología de sistemas 
Éste término se ha usado mucho en los últimos años para referirse a la integración de diferentes campos de investigación con el fin de brindar una visión general de un organismo o una célula, o incluso de toda una especie o de un ecosistema entero. La biología de sistemas integra todas las” ómicas” (genómica, transcriptómica, proteómica, metabolómica, etc). Las analiza, combina e integra sucesivamente para obtener una visión más amplia de la biología completa de un organismo. 
Metagenómica 
Las comunidades microbianas contienen muchas especies de Bacteria y de Archaea, la mayoría de las cuales nunca han sido cultivadas o identificadas oficialmente. La metagenómica o genómica ambiental se ocupa de analizar el conjunto de ADN o ARN procedente de una muestra ambiental que contiene organismos que no han sido previamente aislados o identificados. El contenido total de genes de los organismos que habitan un ambiente es conocido como su metagenoma. 
Evolución del genoma 
Los eventos de duplicación génica, seguidos de la diversificación de una copia del gen, se consideran los acontecimientos principales que impulsan la evolución microbiana. Después de la duplicación, la copia “de recambio” de un gen es libre de evolucionar para dar una nueva función. La evolución está basada en la transferencia de rasgos genéticos de una generación a la siguiente. 
Entre los procariotas se produce la transferencia horizontal de genes. Este tipo de transferencia se produce cada vez que los genes son transferidos de una célula a otra de modo diferente al proceso habitual de herencia (transferencia vertical), en el que el genoma es transferido de una célula madre a una hija. Dentro de los mecanismos horizontales de genes que encontramos en los procariotas tenemos: 
· Transformación: se incorpora ADN libre en una célula receptora y se produce un cambio genético. Algunos procariotas son transformables de forma natural, y entre ellos se encuentran determinadas especies de bacterias Gram positivas y Gram negativas y algunas especies de Archaea. 
· Transducción: un virus bacteriano (denominado bacteriófago) transfiere el ADN de una célula a otra. Los virus pueden transferir los genes del hospedador de dos maneras: 
· Transducción generalizada: el ADN derivado de prácticamente cualquier fragmento del genoma del hospedador es empaquetado en el interior del virión maduro en lugar del genoma vírico 
· Transducción especializada: el ADN de una región específica del cromosoma del hospedador se integra directamente en el genoma del virus, normalmente reemplazando alguno de los genes víricos. Esto sólo ocurre con algunos virus atemperados como el fago lambda. 
· Conjugación o apareamiento: requiere el contacto entre células. La conjugación es un mecanismo codificado por un plásmido que puede mediar la transferencia de ADN entre células no relacionadas, incluso entre géneros diferentes. Los plásmidos conjugativos usan este mecanismo para transferir a nuevas células hospedadoras copias de sí mismos y los genes que codifican, como los de la resistencia a antibióticos. Las células donadoras producen pelos (pilus o pili) que permiten el apareamiento específico entre las células donadoras y las receptoras. Se cree que toda la conjugación en las bacterias Gram negativas depende del apareamiento de las células a través de los pelos. 
Los genes transferidos horizontalmente codifican normalmente funciones metabólicas diferentes de los procesos moleculares centrales de la replicación, la transcripción y la traducción del ADN y pudieran explicar la semejanza previamente mencionada entre los genes metabólicos de Archaea y Bacteria. 
ADN móvil 
El término ADN móvil se refiere a los segmentos de ADN que se mueven de un sitio a otro en las moléculas de ADN hospedador. La mayor parte del ADN móvil consiste en elementos transponibles, pero también son comunes las secuencias de inserción y los genomas víricos integrados. Todos los elementos móviles desempeñan un papel importante en la evolución del genoma. 
Transposón 
Los transposones son una forma común del ADNmóvil y se pueden desplazar entre diferentes moléculas de ADN hospedador, como cromosomas, plásmidos y virus. En su desplazamiento, pueden tomar y transferir horizontalmente genes de características variadas, como la resistencia a antibióticos o la producción de toxinas. La recombinación entre elementos idénticos genera reordenamientos cromosómicos como deleciones, inversiones o traslocaciones, lo que proporciona una fuente de diversidad al genoma sobre la que puede actuar la selección natural. 
Las mutaciones se dan por diferentes causas, distinguiéndose en procariotas la denominada mutación puntual. Cuando el cambio ocurre dentro de un gen y puede localizarse en un locus cromosómico. 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. Tenemos dos tipos: 
1. Cambios de bases: son aquellas mutaciones en las que se sustituye un par de base por otro. Estas a su vez se subdividen. 
a. Transiciones: sustitución de una base por otra de la misma categoría. 
b. Transversiones: sustitución de una base de una categoría química po una de otra categoría. 
c. Inserción o deleción de bases: son aquellas mutaciones en las que se inserta o se elimina un solo par de bases. 
2. Mutaciones en relación al gen: las consecuencias funcionales de los cambios de bases 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. 
a. Mutación silenciosa: la mutación cambia un codón por otro que determina el mismo aminoácido 
b. Mutación de cambio de sentido: la mutación cambia a un codón por otro que determina un aminoácido distinto. 
c. Mutación sin sentido: un codón que determina un aminoácido es sustituido por un codón de terminación de traducción. 
d. Mutación de cambio de fase: inserción o deleción de uno o pocos pares que desplaza la fase de lectura de la traducción. 
e. Mutación nula: son aquellas cuya consecuencia la ausencia completa de la función del gen. 
f. Mutación rezumante: son aquellas que confieren un fenotipo mutante, si bien deja la función normal del gen a un nivel todavía detectable, aunque bajo. 
En conclusión, es importante mencionar que el antibiótico no induce a la mutación, sino que selecciona cepas resistentes de las sensibles, y esto se logra con un tratamiento con antibióticos realizado durante un tiempo inadecuado, con dosis inadecuadas, elección del fármaco inadecuado. 
Genoma esencial y pangenoma 
Uno de los conceptos más importantes que surgen de comparar las secuencias genómicas de varias cepas de una misma especie es la distinción entre el pangenoma y el genoma esencial. 
El genoma esencial es aquel compartido por todas las cepas de la especie, mientras que el pangenoma incluye el esencial más todos los complementos opcionales presentes en una o más cepas, pero no en todas las cepas de la especie. Se podría decir que el genoma esencial es típico de la especie en conjunto mientras que los otros componentes del pangenoma, con frecuencia también elementos móviles, son exclusivos de cepas concretas dentro de la especie. 
La comparación entre estos dos conceptos pone de manifiesto bloques adicionales de material genético que son parte del cromosoma y que no son ni plásmidos ni virus integrados. Estos bloques conocidos como islas cromosómicas, contienen grupos de genes con funciones especializadas que no son necesarias para la simple supervivencia. La comparación de los genomas de las bacterias patógenas con los de sus parientes cercanos inocuos revela a menudo la existencia de islas cromosómicas que codifican factores de virulencia, proteínas especiales u otras moléculas o estructuras que ayudan a desencadenar la enfermedad. 
Diferentes especies de Salmonella que infectan a los humanos dan lugar a diversas enfermedades gastrointestinales. Estas bacterias son portadoras de genes que codifican un gran número de factores de virulencia que son importantes en la adherencia y la infección. Algunos de los genes de virulencia se encuentran en plásmidos o en bacteriófagos lisogénicos. No obstante, muchos otros están agrupados en regiones cromosómicas llamadas islas de patogenicidad.