GENÈTICA BACTERIANA: ORGANITZACIÓ, MECANISMES, REGULACIÓ, TRANSFERÈNCIA - BIOLOGIA - 2025

La genètica bacteriana és l'estudi de les bases de la informació genètica a l'interior cel·lular de bacteris. Aquesta abasta l'organització de la informació genètica, com es regula, com s'expressa i com varia.

Els primers experiments sobre genètica bacteriana es van dur a terme al segle XIX, en un context històric en el qual encara no se sabia si els bacteris comptaven amb mecanismes per intercanviar informació genètica, ni tan sols se sabia si posseïen cromosoma.

ADN bacterià (Font: Average_prokaryote_cell-_en.svg: Mariana Ruiz Vila-real, LadyofHatsDifference_DNA_RNA-EN.svg: * Difference_DNA_RNA-DE.svg: Sponk (talk) translation: Sponk (talk) derivative work: Radio89 via Wikimedia Commons)

L'únic sobre el que es tenia certesa veritable era que els bacteris podien establir línies estables amb diferents fenotips, almenys per a l'assimilació de diferents compostos nutricionals i que, ocasionalment, sorgien noves formes, aparentment per mutacions genètiques.

Amb la gran incertesa que existia sobre els bacteris en l'època, resultava imperant respondre certes interrogants sobre la "genètica bacteriana" de manera experimental, especialment per a comprendre si els bacteris complien els principis bàsics de l'herència.

Finalment, el 1946, Joshua Lederberg i Edward Tatum van resoldre aquestes qüestions bàsiques utilitzant dues soques del bacteri Escherichia coli, el cep A i la soca B, cadascuna amb requeriments nutricionals diferents.

Les cèl·lules de tipus A i B eren incapaços de créixer en un medi mínim, ja que les dues posseïen mutacions que els impedia assimilar els nutrients d'aquest mitjà.

No obstant això, quan es barrejaven A i B durant unes hores i, posteriorment es sembraven a la placa de mig mínim, apareixien unes quantes colònies en les plaques amb el medi mínim, és a dir, creixien.

Aquestes colònies s'originaven a partir de cèl·lules individuals que havien realitzat intercanvi de material genètic i, posterior a l'intercanvi eren capaços d'expressar la informació genètica en el fenotip i així assimilar els nutrients de l'mig mínim.

Organització de la informació genètica

Tota la informació genètica necessària per a la vida d'un bacteri es troba dins del "cromosoma bacterià", una sola molècula d'àcid desoxiribonucleic (ADN) de doble cadena.

Aquesta molècula d'ADN s'ordena en una estructura circular, tancada per enllaços covalents, i conforma, juntament amb algunes proteïnes, a l'cromosoma bacterià.

Els bacteris, a més del cromosoma bacterià, poden posseir fragments d'ADN extracromosómicos de menor grandària, però també estructurats de forma circular tancada. Aquestes molècules d'ADN es diuen en conjunt "plasmidis" o "ADN plasmídic".

Les molècules d'ADN plasmídic són utilitzades pels bacteris per intercanviar informació genètica molt particular entre elles.

Generalment, quan una de les cèl·lules bacterianes desenvolupa resistència contra un antibiòtic, aquesta pot transmetre aquesta resistència a les altres cèl·lules bacterianes a través dels plasmidis.

La mida de la molècula d'ADN plasmídic dels bacteris pot variar des 3 a 10 quilo bases i en moltes espècies de bacteris es poden trobar centenars de còpies d'un sol tipus de plasmidi.

La composició i estructura de l'ADN dels bacteris és la mateixa que es troba en tots els éssers vius i en els virus. La seva estructura consisteix en un esquelet de sucre, unes bases nitrogenades i grups fosfat.

El mapa complet de l'cromosoma bacterià d'Escherichia coli es va aconseguir el 1963. Aquest detallava la posició exacta de 100 gens aproximadament, però avui dia se sap que el cromosoma d'E coli conté més de 1000 gens i té una mida de 4,2 milions de parells de bases.

Mecanismes d'expressió genètica

El mecanisme d'expressió genètica dels bacteris és similar en alguns aspectes a el procés d'expressió genètica que passa en els altres éssers vius i depèn també dels processos de transcripció i traducció.

La informació dels gens és transcrita a una molècula d'ARN i posteriorment a la seqüència d'aminoàcids que constitueixen a les proteïnes. Aquest procés és el que porta a terme l'expressió de la informació continguda en el genotip i l'estructura en el fenotip.

transcripció

En la transcripció, l'enzim ARN polimerasa crea un producte complementari a un segment d'ADN que empra com a motlle, però aquest producte és d'àcid ribonucleic (ARN).

Aquesta molècula porta la informació per a la síntesi de la proteïna codificada pel segment d'ADN, és simple banda i és cridada ARN missatger. L'ARN polimerasa dels bacteris és diferent en els bacteris i en els organismes eucariotes.

L'ARN polimerasa identifica un lloc específic en l'ADN (promotor) en on s'uneix per iniciar la transcripció. Una sola molècula d'ARN missatger pot contenir la informació per a més d'un gen.

A diferència dels organismes eucariotes, els gens dels bacteris no posseeixen "introns" en la seva seqüència, ja que els bacteris no tenen un nucli que separi el cromosoma dels altres elements de l'citoplasma.

traducció

A l'trobar-se "per lligar" tots els elements en el citoplasma cel·lular dels bacteris, les molècules d'ARN missatger acabades de sintetitzar poden entrar en contacte amb els ribosomes i iniciar la síntesi de les proteïnes de forma immediata.

Això els permet als bacteris tenir un avantatge a l'hora de respondre i adaptar-se als canvis extrems de l'entorn.

En la traducció participen l'ARN ribosomal, l'ARN de transferència i diverses proteïnes ribosomals. Els ribosomes de les cèl·lules procariotes varien en estructura i composició en relació amb els ribosomes de les cèl·lules eucariotes.

Aquests elements van "llegint" en forma de triplets de nucleòtids (codons) les instruccions plasmades en el codi genètic de les molècules d'ARN missatger i, a el mateix temps van acoblant cadascun dels aminoàcids per formar el polipèptid.

La "universalitat" de el codi genètic els permet als científics utilitzar la traducció dels bacteris com una important eina per a la síntesi de pèptids i proteïnes amb interessos tecnològics.

Regulació de l'expressió genètica

El mecanisme que controla l'expressió genètica en bacteris és extremadament exacte; els permet regular de forma precisa la quantitat i el moment de la síntesi dels productes genètics, perquè ocorrin només quan siguin necessàries.

Una regió de l'genoma dels bacteris que agrupa diversos gens s'anomena "operó". Aquesta regió activa o desactiva la seva transcripció depenent de les condicions en què es troba el bacteri.

Tots els gens que formen part de la mateixa operó són coordinadament transcrits en un ARN missatger que conté molts gens (anomenat ARN "policistrónico"). Aquests ARNs són traduïts en els ribosomes de forma seqüencial, un a continuació de l'altre.

Els operons poden trobar regulats de manera positiva o negativa. Els gens només deixen d'expressar-se quan unes proteïnes inhibidores trucades repressores s'uneixen a una seqüència específica en la seva estructura.

La seqüència específica d'el gen es diu "promotor", quan la proteïna repressora es troba unida a promotor, l'ARN polimerasa no pot iniciar la transcripció de la seqüència genètica en qüestió.

D'altra banda, quan els operons es troben regulats de manera positiva, la transcripció d'aquesta regió genètica no començarà fins que estigui present una proteïna activadora que s'uneix a la seqüència específica d'l'ADN.

Els científics utilitzen aquesta "inductivitat" dels operons per augmentar o disminuir l'expressió genètica de certes regions d'interès en els bacteris. A l'introduir alguns substrats, es pot incrementar l'expressió dels enzims necessàries per al metabolisme.

Transferència de gens

Els bacteris, a diferència de les cèl·lules eucariotes, no realitzen la transferència dels seus gens a través de la reproducció sexual, en canvi, ho poden fer per tres processos diferents: la transformació, la transducció i la conjugació.

Transferència horitzontal de gens en els bacteris (Font: 2013MMG320B via Wikimedia Commons)

transformació

En la transformació , algunes cèl·lules bacterianes de la població es fan "competents". Un cop "competents" són capaços de rebre ADN exogen provinent d'altres bacteris que es troben en el medi extracel·lular.

Un cop incorporat l'ADN a l'interior cel·lular, els bacteris realitzen un procés de combinació dels gens continguts en el seu cromosoma amb l'ADN forà que s'acaba d'incorporar al seu interior. Aquest procés es coneix com la recombinació genètica.

transducció

A la transducció, els bacteris incorporen ADN d'altres bacteris en la seva molècula d'ADN a través de virus que infecten als bacteris (bacteriòfags). Aquesta es pot donar de forma especialitzada o generalitzada.

A la transducció especialitzada passa quan un fag que va infectar anteriorment a un altre bacteri adquirís els seus gens durant el cicle infecciós.

Posteriorment, a l'infectar un nou bacteri i incorporar els seus gens a l'cromosoma del nou bacteri infectada, incorpora també gens del bacteri que va infectar anteriorment.

Durant la transducció generalitzada, partícules de fags defectuosos que posseeixen els seus càpsides buides, incorporen part de l'cromosoma bacterià durant la replicació viral, després, una vegada que infecten a un altre bacteri, poden introduir els gens presos del bacteri anterior.

conjugació

En la conjugació els bacteris intercanvien material genètic de forma unidireccional, a través d'un contacte físic. Una de les bacteris actua com a donant i l'altra com a receptora. En aquest procés generalment el bacteri donant li atorga una molècula d'ADN plasmídic al bacteri receptora.

La conjugació en els bacteris no és pròpia de totes les espècies, la capacitat de conjugació és atorgada a través d'uns gens que són transmesos a través d'una molècula d'ADN plasmídic.

referències

1. Braun, W. (1953). Bacterial Genetics. Bacterial Genetics.
2. Brock, TD (1990). The emergence of bacterial genetics (No. 579: 575 BRO). Cold Spring Harbor, NY: Cold Spring Harbor Laboratory Press.
3. Fry, JC, & Day, MJ (Eds.). (1990). Bacterial genetics in natural environments (pp. 55-80). London: Chapman and Hall.
4. Griffiths, AJ, Wessler, SR, Lewontin, RC, Gelbart, WM, Suzuki, DT, & Miller, JH (2005). An introduction to genetic analysis. Macmillan.
5. Luria, ES (1947). Recent advances in bacterial genetics. Bacteriological reviews, 11 (1), 1.