Conjugación bacteriana

La conjugación bacteriana es la transferencia de material genético entre células bacterianas por contacto directo de célula a célula o por una conexión similar a un puente entre dos células. Esto se lleva a cabo a través de un pilus. Es un modo parasexual de reproducción en bacterias.

Es un mecanismo de transferencia horizontal de genes como lo son la transformación y la transducción, aunque estos otros dos mecanismos no involucran el contacto de célula a célula.

La conjugación bacteriana clásica de E. coli a menudo se considera el equivalente bacteriano de la reproducción sexual o el apareamiento, ya que implica el intercambio de material genético. Sin embargo, no se trata de reproducción sexual, ya que no se produce ningún intercambio de gametos ni tampoco la generación de un nuevo organismo: en cambio, se transforma un organismo existente. Durante la conjugación clásica de E. coli, la célula donante proporciona un elemento genético conjugativo o movilizable que suele ser un plásmido o un transposón. La mayoría de los plásmidos conjugativos tienen sistemas que aseguran que la célula receptora no contenga ya un elemento similar.

La información genética transferida suele ser beneficiosa para el receptor. Los beneficios pueden incluir resistencia a los antibióticos, tolerancia a los xenobióticos o la capacidad de utilizar nuevos metabolitos. Otros elementos pueden ser perjudiciales y pueden verse como parásitos bacterianos.

La conjugación en Escherichia coli por cigogénesis espontánea y en Mycobacterium smegmatis por transferencia conyugal distributiva difieren de la conjugación clásica mejor estudiada de E. coli en que estos casos implican una mezcla sustancial de los genomas parentales.

Historia

El proceso fue descubierto por Joshua Lederberg y Edward Tatum en 1946.

Mecanismo

Diagrama de conjugación

1. La célula donante produce pilus.
2. Pilus se adhiere a la célula receptora y une las dos células.
3. El plásmido móvil se corta y luego se transfiere una sola hebra de ADN a la célula receptora.
4. Ambas células sintetizan una cadena complementaria para producir un plásmido circular de doble cadena y también reproducen pili; ambas células son ahora donantes viables para el factor F.

El factor F es un episoma (un plásmido que puede integrarse en el cromosoma bacteriano por recombinación homóloga) con una longitud de unos 100 kb. Lleva su propio origen de replicación, el oriV, y un origen de transferencia, u oriT. Solo puede haber una copia del plásmido F en una bacteria dada, ya sea libre o integrada, y las bacterias que poseen una copia se denominan F-positivas o F-plus (indicadas como F ). Las células que carecen de plásmidos F se denominan F-negativas o F-menos (F ) y, como tales, pueden funcionar como células receptoras.

Entre otra información genética, el plásmido F lleva un locus tra y trb, que juntos tienen una longitud de unos 33 kb y constan de unos 40 genes. El locus tra incluye el gen pilina y los genes reguladores, que juntos forman pili en la superficie celular. El locus también incluye los genes de las proteínas que se adhieren a la superficie de las bacterias F e inician la conjugación. Aunque existe cierto debate sobre el mecanismo exacto de conjugación, parece que los pili no son las estructuras a través de las cuales se produce el intercambio de ADN. Esto se ha demostrado en experimentos en los que se permite que los pilus hagan contacto, pero luego se desnaturalizan con SDS y aún continúa la transformación del ADN. Varias proteínas codificadas en el trao locus trb parecen abrir un canal entre las bacterias y se cree que la enzima traD, ubicada en la base del pilus, inicia la fusión de la membrana.

Cuando la conjugación es iniciada por una señal, la enzima relaxasa crea una muesca en una de las hebras del plásmido conjugativo en el oriT. La relaxasa puede funcionar sola o en un complejo de más de una docena de proteínas conocidas colectivamente como relaxosoma. En el sistema del plásmido F, la enzima relaxasa se llama TraI y el relaxosoma consta de TraI, TraY, TraM y el factor huésped integrado IHF. La hebra mellada, o hebra T, se desenrolla luego de la hebra intacta y se transfiere a la célula receptora en una dirección del extremo 5' al extremo 3'. La hebra restante se replica independientemente de la acción conjugativa (la replicación vegetativa comienza en el oriV) o en combinación con la conjugación (replicación conjugativa similar a la replicación en círculo rodante del fago lambda). La replicación conjugativa puede requerir una segunda muesca antes de que pueda ocurrir una transferencia exitosa. Un informe reciente afirma haber inhibido la conjugación con sustancias químicas que imitan un paso intermedio de este segundo evento de corte.

Si el plásmido F que se transfiere se ha integrado previamente en el genoma del donante (produciendo una cepa Hfr ["Alta frecuencia de recombinación"]), parte del ADN cromosómico del donante también se puede transferir con el ADN del plásmido. La cantidad de ADN cromosómico que se transfiere depende de cuánto tiempo permanezcan en contacto las dos bacterias que se conjugan. En cepas comunes de laboratorio de E. coli, la transferencia de todo el cromosoma bacteriano tarda unos 100 minutos. A continuación, el ADN transferido puede integrarse en el genoma receptor mediante recombinación homóloga.

Un cultivo celular que contiene en su población células con plásmidos F no integrados normalmente también contiene algunas células que han integrado accidentalmente sus plásmidos. Son estas células las responsables de las transferencias de genes cromosómicos de baja frecuencia que se producen en dichos cultivos. Algunas cepas de bacterias con un plásmido F integrado se pueden aislar y cultivar en cultivo puro. Debido a que tales cepas transfieren genes cromosómicos de manera muy eficiente, se denominan Hfr ( alta frecuencia de recombinación ). La E. coliEl genoma se mapeó originalmente mediante experimentos de apareamiento interrumpido en los que varias células Hfr en el proceso de conjugación se cortaron de los receptores después de menos de 100 minutos (inicialmente con un mezclador Waring). Luego se investigaron los genes que se transfirieron.

Dado que la integración del plásmido F en el cromosoma de E. coli es una rara ocurrencia espontánea, y dado que los numerosos genes que promueven la transferencia de ADN se encuentran en el genoma del plásmido y no en el genoma bacteriano, se ha argumentado que la transferencia de genes bacterianos por conjugación, como ocurre en el sistema E. coli Hfr, no es una adaptación evolutiva del huésped bacteriano, ni es probable que sea ancestral al sexo eucariótico.

Cigogénesis espontánea en E. coli

Además de la conjugación bacteriana clásica descrita anteriormente para E. coli, en ciertas cepas de E. coli se observa una forma de conjugación denominada cigogénesis espontánea (apareamiento Z). En el apareamiento Z hay una mezcla genética completa y se forman diploides inestables que arrojan células fenotípicamente haploides, de las cuales algunas muestran un fenotipo parental y otras son verdaderas recombinantes.

Transferencia conyugal en micobacterias

La conjugación en Mycobacteria smegmatis, como la conjugación en E. coli, requiere un contacto estable y prolongado entre una cepa donante y receptora, es resistente a la ADNasa y el ADN transferido se incorpora al cromosoma receptor mediante recombinación homóloga. Sin embargo, a diferencia de la conjugación de E. coli Hfr, la conjugación de micobacterias se basa en cromosomas y no en plásmidos. Además, en contraste con la conjugación Hfr de E. coli, en M. smegmatis todas las regiones del cromosoma se transfieren con eficiencias comparables. Las longitudes de los segmentos donantes varían ampliamente, pero tienen una longitud promedio de 44,2 kb. Dado que se transfiere una media de 13 tractos, el promedio total de ADN transferido por genoma es de 575 kb.Este proceso se conoce como "Transferencia conyugal distributiva". Grey et al. encontraron una mezcla sustancial de los genomas parentales como resultado de la conjugación y consideraron que esta mezcla recuerda a la observada en los productos meióticos de la reproducción sexual.

Transferencia entre reinos

Las bacterias relacionadas con los rizobios fijadores de nitrógeno son un caso interesante de conjugación entre reinos. Por ejemplo, el plásmido inductor de tumores (Ti) de Agrobacterium y el plásmido inductor de tumores de raíz (Ri) de A. rhizogenes contienen genes que son capaces de transferirse a células vegetales. La expresión de estos genes transforma efectivamente las células vegetales en fábricas productoras de opinión. Las opiniones son utilizadas por las bacterias como fuentes de nitrógeno y energía. Las células infectadas forman agallas en la corona o tumores en la raíz. Los plásmidos Ti y Ri son así endosimbiontes de las bacterias, que a su vez son endosimbiontes (o parásitos) de la planta infectada.

Los plásmidos Ti y Ri también se pueden transferir entre bacterias utilizando un sistema (el operón tra o de transferencia) que es diferente e independiente del sistema utilizado para la transferencia entre reinos (el operón vir o de virulencia). Tales transferencias crean cepas virulentas a partir de cepas previamente avirulentas.

Aplicaciones de la ingeniería genética

La conjugación es un medio conveniente para transferir material genético a una variedad de objetivos. En los laboratorios, se han informado transferencias exitosas de bacterias a levaduras, plantas, células de mamíferos, diatomeas y mitocondrias aisladas de mamíferos. La conjugación tiene ventajas sobre otras formas de transferencia genética, incluida la interrupción mínima de la envoltura celular del objetivo y la capacidad de transferir cantidades relativamente grandes de material genético (consulte la discusión anterior sobre la transferencia de cromosomas de E. coli ). En la ingeniería de plantas, la conjugación tipo Agrobacterium complementa otros vehículos estándar como el virus del mosaico del tabaco (TMV). Si bien el TMV es capaz de infectar muchas familias de plantas, estas son principalmente dicotiledóneas herbáceas. agrobacteriaLa conjugación similar también se usa principalmente para dicotiledóneas, pero los receptores de monocotiledóneas no son infrecuentes.