Genética microbiana

La genética microbiana es un área temática dentro de la microbiología y la ingeniería genética. La genética microbiana estudia los microorganismos con diferentes propósitos. Los microorganismos que se observan son bacterias y arqueas. Algunos hongos y protozoos también son sujetos 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" n.d.) La ingeniería genética es un campo de trabajo y estudio dentro de la genética microbiana. El uso de la tecnología del ADN recombinante es un proceso de este trabajo. El proceso implica la creación de moléculas de ADN recombinante mediante la manipulación de una secuencia de ADN. Ese ADN creado se pone luego en contacto con un organismo huésped. La clonación también es un ejemplo de ingeniería genética.

Desde el descubrimiento de los microorganismos por Robert Hooke y Antoni van Leeuwenhoek durante el período 1665-1885, se han utilizado para estudiar muchos procesos y han tenido aplicaciones en varias áreas de estudio en genética. Por ejemplo: los científicos utilizan las tasas de crecimiento rápido y los tiempos de generación cortos de los microorganismos para estudiar la evolución. Los descubrimientos de Robert Hooke y Antoni van Leeuwenhoek implicaron representaciones, observaciones y descripciones de microorganismos. Mucor es el microhongo que Hooke presentó y del que dio una representación. Su contribución fue que Mucor fue el primer microorganismo en ser ilustrado. La contribución de Antoni van Leeuwenhoek a los protozoos microscópicos y las bacterias microscópicas dio lugar a observaciones y descripciones científicas. Estas contribuciones se lograron mediante un microscopio simple, lo que condujo a la comprensión de los microbios en la actualidad y continúa haciendo avanzar la comprensión de los científicos. La genética microbiana también tiene aplicaciones en la capacidad de estudiar procesos y vías que son similares a los que se encuentran en los humanos, como el metabolismo de los fármacos.

La genética microbiana se puede centrar en el trabajo de Charles Darwin y los científicos han seguido estudiando su trabajo y sus teorías mediante el uso de microbios. En concreto, la teoría de la selección natural de Darwin es una de las fuentes utilizadas. El estudio de la evolución mediante el uso de la genética microbiana implica que los científicos observen el equilibrio evolutivo. Un ejemplo de cómo pueden lograrlo es el estudio de la selección natural o la deriva de los microbios. La aplicación de este conocimiento proviene de la búsqueda de la presencia o ausencia de microbios de diversas formas. Las formas incluyen la identificación de determinadas vías, genes y funciones. Una vez observado el sujeto, el científico puede compararlo con una secuencia de un gen conservado. 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. Sin embargo, al probar la evolución de esta manera, los científicos pueden aprender las tasas y los 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.

Las bacterias están presentes en este planeta desde hace aproximadamente 3.500 millones de años y se clasifican según su forma. La genética bacteriana estudia los mecanismos de su información hereditaria, sus cromosomas, plásmidos, transposones y fagos.

Los sistemas de transferencia de genes que se han estudiado ampliamente en bacterias incluyen la transformación genética, la conjugación y la transducción. 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 recombinatoria en el cromosoma receptor depende de la expresión de numerosos genes bacterianos cuyos productos dirigen este proceso. En general, la transformación es un proceso de desarrollo complejo que requiere energía y que parece ser una adaptación para reparar los daños en el ADN.

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. 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 una cepa donante y una receptora, es resistente a la DNasa y el ADN transferido se incorpora al cromosoma receptor por recombinación homóloga. La conjugación de E. coli está mediada por la expresión de genes plasmídicos, mientras que la conjugación micobacteriana está mediada por genes en el cromosoma bacteriano.

La transducción es el proceso por el cual un virus o un vector viral introduce ADN extraño en una célula. La transducción es una herramienta común que utilizan los biólogos moleculares para introducir de manera estable un gen extraño en el genoma de una célula huésped.

Las arqueas son un grupo de organismos procariotas, unicelulares, que 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 la replicación de 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 movilidad que incluye flagelos, que son una estructura similar a una cola. Los cromosomas de las arqueas se replican a partir de diferentes orígenes de replicación, produciendo dos células hijas haploides. Comparten un ancestro común con las bacterias, pero están más estrechamente relacionadas con los eucariotas en comparación con las bacterias. Algunas arqueas pueden sobrevivir a entornos extremos, lo que conduce a muchas aplicaciones en el campo de la genética. Una de esas aplicaciones es el uso de enzimas arqueales, que serían más capaces de sobrevivir a condiciones duras in vitro.

Se han estudiado la transferencia y el intercambio genético en la arquea halófila Halobacterium volcanii y las arqueas hipertermófilas Sulfolobus solfataricus y Sulfolobus acidocaldarius. H. volcani forma puentes citoplasmáticos entre células que parecen utilizarse para la transferencia de ADN de una célula a otra en cualquier dirección. Cuando S. solfataricus y S. acidocaldarius se exponen a agentes que dañan el ADN, se induce la agregación celular específica de la 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 la especie entre células de Sulfolobus con el fin de proporcionar una mayor reparación del ADN dañado mediante la recombinación homóloga. Las arqueas se dividen en tres subgrupos: halófilos, metanógenos y termoacidófilos. El primer grupo, los metanógenos, son arqueobacterias que viven en pantanos y ciénagas, así como en el intestino de los humanos. También desempeñan un papel importante en la descomposición de los organismos muertos. Los metanógenos son organismos anaeróbicos, que mueren cuando se exponen al oxígeno. El segundo subgrupo de arqueobacterias, los halófilos, son organismos que están presentes en áreas con alta concentración de sal, como el Gran Lago Salado y el Mar Muerto. El tercer subgrupo, los termoacidófilos, también llamados termófilos, son organismos que viven en áreas 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.

La genética arqueológica es el estudio de los genes que consisten en células sin núcleo único. Las arqueas tienen un único cromosoma circular que contiene múltiples orígenes de replicación para iniciar la síntesis de ADN. La replicación de ADN de las arqueas implica procesos similares, que incluyen la iniciación, elongación y terminación. La primasa utilizada para sintetizar un cebador de ARN varía de la de los eucariotas. La primasa de las arqueas es una versión altamente derivada del motivo de reconocimiento de ARN (RRM). Las arqueas provienen de bacterias Gram positivas, que tienen una sola bicapa lipídica, que son resistentes a los antibióticos. Las arqueas son similares a las mitocondrias de los eucariotas en que liberan energía como trifosfato de adenosina (ATP) a través de la reacción química llamada metabolismo. Algunas arqueas conocidas como arqueas fototróficas utilizan la energía del sol para producir ATP. La ATP sintasa se utiliza como fotofosforilación para convertir las sustancias químicas en ATP.

Las arqueas y las bacterias son estructuralmente similares aunque no están estrechamente relacionadas en el árbol de la vida. Las formas de las células de las bacterias y las arqueas varían desde una forma esférica conocida como coco o una forma de bastón conocida como bacilo. También están relacionadas, ya que no tienen membrana interna y 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 o 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. Aparte de la morfología de las arqueas y las bacterias, existen otras diferencias entre estos dominios. Las arqueas que viven en entornos 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. En cambio, las bacterias se encuentran en diversos ámbitos, como las plantas, los animales, el suelo y las rocas.

Los hongos pueden ser organismos multicelulares o unicelulares y se distinguen de otros microbios por la forma en que obtienen nutrientes. Los hongos secretan enzimas en su entorno para descomponer la materia orgánica. La genética de los hongos utiliza levaduras y hongos filamentosos como organismos modelo para la investigación genética eucariota, incluida la regulación del ciclo celular, la estructura de la cromatina y la regulación genética.

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 hace que el análisis genético sea sencillo, ya que los caracteres recesivos se mostrarán en la descendencia. El análisis de la recombinación genética se facilita 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 los incendios.

Neurospora fue utilizada por Edward Tatum y George Beadle en sus experimentos 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, según la cual genes específicos codifican proteínas específicas. Este concepto resultó ser el pistoletazo de salida a lo que se convirtió en la genética molecular y todos los desarrollos que le siguieron.

Saccharomyces cerevisiae es una levadura del filo Ascomycota. Durante el crecimiento vegetativo que ocurre ordinariamente cuando los nutrientes son abundantes, S. cerevisiae se reproduce por mitosis como células diploides. Sin embargo, cuando están hambrientas, estas células experimentan meiosis para formar esporas haploides. El apareamiento ocurre cuando las células haploides de tipos de apareamiento opuestos MATa y MATα entran en contacto. Ruderfer et al. señalaron que, en la naturaleza, tales 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, al dividirse celular, a menudo producen células del tipo de apareamiento opuesto. Un análisis de la ascendencia de S. Los estudios de las cepas de S. cerevisiae concluyeron que el cruzamiento externo ocurre con muy poca frecuencia (solo una vez cada 50.000 divisiones celulares). La relativa rareza de los eventos meióticos que resultan del cruzamiento externo sugiere que es poco probable que los posibles beneficios a largo plazo del cruzamiento externo (por ejemplo, la generación de diversidad) sean suficientes para mantener el sexo de una generación a la siguiente. En cambio, un beneficio a corto plazo, como la reparación recombinatoria meiótica de los daños del ADN causados por condiciones estresantes (como la inanición) 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 patógeno fúngico más común en humanos. Provoca infecciones debilitantes de las mucosas e infecciones sistémicas potencialmente mortales. C. albicans ha mantenido un complejo, pero en gran parte oculto, aparato de apareamiento. Johnson sugirió que las estrategias de apareamiento pueden permitirle a C. albicans sobrevivir en el ambiente hostil de un huésped mamífero.

Entre las 250 especies conocidas de aspergilli, aproximadamente el 33% tiene un estado sexual identificado. Entre las especies de Aspergillus que presentan un ciclo sexual, la abrumadora mayoría en la naturaleza son homotálicas (autofecundantes). La autofecundación en el hongo homotálico Aspergillus nidulans implica la activación de las mismas vías de apareamiento características del sexo en especies de apareamiento cruzado, es decir, la autofecundación no evita las vías necesarias para el sexo cruzado, sino que requiere la activación de estas vías dentro de un solo individuo. La fusión de núcleos haploides ocurre dentro de estructuras reproductivas denominadas cleistotecios, en las que el cigoto diploide experimenta divisiones meióticas para producir ascosporas haploides.

Los protozoos son organismos unicelulares que tienen núcleos y cuerpos celulares ultramicroscópicos dentro de su citoplasma. Un aspecto particular de los protozoos que interesa a los genetistas humanos son sus flagelos, que son muy similares a los flagelos de los espermatozoides humanos.

Los estudios sobre el Paramecium han contribuido a nuestra comprensión de la función de la meiosis. Como todos los ciliados, el Paramecium tiene un macronúcleo poliploide y uno o más micronúcleos diploides. El macronúcleo controla las funciones celulares no reproductivas, expresando los genes necesarios para el funcionamiento diario. El micronúcleo es el núcleo generativo, o núcleo de la línea germinal, que contiene el material genético que se transmite de una generación a la siguiente.

En la fase de fisión asexual del crecimiento, durante la cual las divisiones celulares ocurren por mitosis en lugar de por meiosis, se produce un envejecimiento clonal que conduce a una pérdida gradual de vitalidad. En algunas especies, como la muy estudiada Paramecium tetraurelia, la línea asexual de paramecios que envejecen clonalmente pierde vitalidad y muere después de aproximadamente 200 fisiones si las células no logran experimentar meiosis seguida de autogamia (autofecundación) o conjugación (exogamia) (ver envejecimiento en Paramecium). El daño del ADN aumenta drásticamente durante las divisiones celulares clonales sucesivas y es una causa probable del envejecimiento clonal en P. tetraurelia.

Cuando se estimula a P. tetraurelia clonalmente envejecida 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 daño en el ADN del nuevo macronúcleo, si es que hay alguno, lo que sugiere que el rejuvenecimiento está asociado con la reparación de estos daños en el micronúcleo durante la meiosis.

Los virus son organismos que codifican cápsides y están compuestos de proteínas y ácidos nucleicos que pueden autoensamblarse después de replicarse en una célula huésped utilizando la maquinaria de replicación de esta. Existe un desacuerdo en la ciencia sobre si los virus están vivos debido a su falta de ribosomas. Comprender el genoma viral es importante no solo para los estudios de genética sino también para entender sus propiedades patógenas.

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 viral recombinante. Tanto los virus de ADN como los de ARN pueden experimentar recombinación. Cuando dos o más virus, cada uno con daño genómico letal, infectan la misma célula huésped, los genomas del virus a menudo pueden emparejarse entre sí y experimentar una reparación recombinatoria homóloga para producir una progenie viable. Este proceso se conoce como reactivación por multiplicidad. Las enzimas empleadas en la reactivación por multiplicidad son funcionalmente homólogas a las enzimas empleadas en la reparación recombinatoria bacteriana y eucariota. Se ha descubierto que la reactivación por multiplicidad ocurre con virus patógenos, incluidos el virus de la gripe, el VIH-1, el virus adenovirus simio 40, el virus vaccinia, el reovirus, el virus de la polio y el virus del herpes simple, así como con numerosos bacteriófagos.

Cualquier organismo vivo puede contraer un virus al darle 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. Un virus puede afectar cualquier parte del cuerpo y causar una amplia gama de enfermedades, como la gripe, el resfriado común y las enfermedades de transmisión sexual. La gripe es un virus que se transmite por el aire y 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 se infectan con este virus transmiten la infección a través de la actividad normal del día a día, 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. Una infección viral en las vías respiratorias superiores produce un resfriado común. El resfriado común, que presenta síntomas como dolor de garganta, estornudos, fiebre leve y tos, suele ser inofensivo y tiende a desaparecer en una semana aproximadamente. 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.