CONJUGACIÓN BACTERIANA

La conjugación procariota, también conocida como conjugación bacteriana, es el

proceso de transferencia de material genético entre una célula procariota donadora y

una receptora mediante el contacto directo o una conexión que las una.

Descubierta por Joshua Lederberg y Edward Tatum en 1946, la conjugación es un

mecanismo de transferencia horizontal de genes como la transformación y

la transducción, con la diferencia de que estos últimos no involucran contacto

intercelular.

A menudo se le considerada un símil procarionte de la reproducción sexual o

el apareamiento debido a que implica el intercambio de material génico. Durante la

conjugación la célula donadora provee un elemento génico móvil o conjugativo que

generalmente es un plásmido o un transposón. La mayoría de los plásmidos

conjugativos tienen sistemas que aseguran que la célula receptora no tenga ya un

elemento similar.

La información genética transferida a menudo beneficia al receptor. Las ventajas

pueden incluir resistencia antibiótica, tolerancia xenobiótica o la capacidad de usar

nuevos metabolitos. La conjugación de plásmidos benéficos puede ser considerada

una endosimbiosis procarionte. Sin embargo, la conjugación de otros elementos

génicos puede ser vista como un tipo de parasitismo y un mecanismo desarrollado

para su propagación.

Joshua Lederberg y Edward L. Tatum mezclaron dos cepas auxotrofas, incubaron el cultivo durante varias horas en un medio nutritivo y a continuación lo sembraron en placas con medio mínimo. Para reducir la probabilidad de que los resultados se debieran a una simple reversión, utilizaron auxotrofos dobles y triples bajo la suposición de que no se producirían a menudo de forma simultánea dos o tres reversiones. Por ejemplo, una cepa requería biotina (Bio-), fenilalanina (Fe-) y cisteína (Cis-) para su crecimiento, y otra necesitaba treonina (Tre-), leucina ( Leu ) y tiamina (Ti-). Tras la incubación, aparecieron en el medio mínimo colonias protótrofas recombinantes Por consiguiente, los cromosomas de los dos auxotrofos fueron capaces de asociarse y sufrir un proceso de recombinación.

Lederberg y Tatum no demostraron de forma directa que fuese necesario el contacto físico entre las células para que tuviera lugar la transferencia de genes. La demostración Je este hecho corresponde a Bernard Davis (1950). Quien construyó un tubo en «U» consistente en dos piezas de vidrio tubulares curvadas, fusionadas por la base para originar una estructura con forma de U con un filtro de vidrio poroso entre las dos ramas. El filtro permitía el paso de los medios, pero no el de las bacterias. Se llenó el tubo en «U» con un medio nutritivo y en cada lado se inoculó una cepa auxotrofa diferente de E. coli. Durante la incubación, el medio se bombeó de un lado a otro a través del filtro para asegurarse de que tenía lugar el intercambio de medio entre las dos ramas del tubo. Después de 4 horas de incubación, las bacterias se sembraron en medio mínimo. Davis descubrió que cuando dos cepas auxotrofas se separaban la una de la otra mediante un filtro fino no podía producirse la transferencia génica. Por consiguiente, era necesario el contacto directo para que tuviera lugar la recombinación observada por Lederberg y Tatum.

Cruce F+ x F-

En 1952. William Hayes demostró que la transferencia génica observada por Lederberg y Tatum era un fenómeno polar. Es decir, había claramente una cepa dadora (F+) y una cepa receptora (F-), y la transferencia de genes no era recíproca. También comprobó que en el cruce F+ x F- la progenie rara vez se modificaba desde el punto de vista de la auxotrofía (es decir, los genes bacterianos no se transferían con frecuencia), pero las cepas F con frecuencia sí se convertían en cepas F+

Estos resultados pueden explicarse fácilmente en términos del factor F descrito previamente. La cepa F+ contiene un factor F extracromosómico que transporta los genes necesarios para la formación del pilus y la transferencia de plásmidos. Durante el cruce o conjugación F+ x F-, el factor F se replica mediante el mecanismo del círculo rodante y una copia del factor F se desplaza al receptor. La cadena entrante se copia para producir DNA de doble cadena (DNA bicatenario). Debido a que los genes del cromosoma bacteriano rara vez se transfieren con el factor F independiente, la frecuencia de recombinación es baja. Todavía no se conoce con exactitud cómo se desplaza el plásmido entre las bacterias. El pilus sexual o conjugativo o pilus F une el donador y el receptor y puede contraerse para unir ambas células. El canal para la transferencia del DNA podría ser el pilus F hueco o más bien un puente conjugativo especial formado tras el contacto. El mecanismo del circulo rodante de replicación del DNA (p. 253).

Aunque la mayoría de la investigación sobre plásmidos y conjugación se ha realizado utilizando E. coli y otras bacterias Gram negativas, los plásmidos autotransmisibles están también presentes en bacterias Gram positivas como Bacillus, Streptococcus,

Enterococcus, Staphylococcus y Streptomyces. Se conoce mucho menos sobre estos sistemas. Parece que están involucrados un número inferior de genes de transferencia, posiblemente porque no se requiera un pilus sexual para la transmisión del plásmido. Por ejemplo, las células receptoras de Enterococcus faecalis, liberan pép- tidos cortos como señales químicas que activan los genes de transferencia de las células donadoras que contienen el plásmido apropiado. Las células donante y receptora se unen directamente la una a la otra a través de proteínas especiales codificadas por el plásmido y liberadas por la célula donadora. Entonces se produce la transferencia génica.

Conjugación Hfr

Debido a que ciertas cepas dadoras transfieren genes bacterianos con gran eficiencia y no suelen convertir en donadoras a las células receptoras, debe existir un segundo tipo de conjugación, El factor F es un episoma y puede integrarse en el cromosoma bacteriano en diferentes localizaciones mediante recombinación entre secuencias de inserción homologas presentes tanto en el plásmido como en los cromosomas del huésped. Cuando se ha integrado, el operón tra del plásmido F sigue siendo funcional; el plásmido puede dirigir la síntesis del pili y llevar acabo la replicación mediante el mecanismo del círculo rodante y transferir material genético a una célula receptora F. Las cepas donadoras de este tipo reciben el nombre de cepas Hfr (del inglés high frequency of recombination) porque presentan una elevada eficiencia de transferencia génica cromosómica en comparación con las células F'. La transferencia de DNA comienza con un corte en el sitio de origen de transferencia del factor F integrado (Figura 13.14b). A medida que se replica, el cromosoma se desplaza a través del pilus o puente conjugativo que conecta el donador con el receptor. Debido a que inicialmente sólo se transfiere parte del factor F (la rotura inicial se produce en el plásmido), el receptor F~ no se convierte en F' a menos que se transfiera todo el cromosoma. La transferencia tiene lugar en unos 100 minutos en E. coli, y la conexión suele romperse antes de que este proceso haya concluido. Por tanto, en general no se transfiere el factor F completo y el receptor sigue siendo F. Como se ha mencionado con anterioridad, cuando una cepa Hfr participa en la conjugación, los genes bacterianos con frecuencia se transfieren al receptor. La transferencia génica puede realizarse tanto en el sentido de las agujas del reloj como en el contrario, alrededor del cromosoma circular. Dependiendo de la orientación del factor F integrado. Después de que el cromosoma replicado del donador penetre en la célula receptora, puede ser degradado o incorporado al genoma F- mediante recombinación.

Conjugación F´

Debido a que el plásmido F es un episoma. Puede abandonar el cromosoma bacteriano en el que está integrado. Durante este proceso, el plásmido F en ocasiones comete un error en la escisión, de forma que adquiere una porción del material cro-mosómico y se convierte en un plásmido F' (Figura 13.15a). No es infrecuente observar la inclusión de uno o más genes en plásmidos F escindidos. La célula F' conserva todos sus genes, aunque algunos de ellos se encuentran en el plásmido. y sigue cruzándose exclusivamente con un receptor F-. La conjugación F' x F- es prácticamente idéntica al cruce F’ xF-. De nuevo, se transfiere el plásmido, pero habitualmente los genes bacterianos presentes en el cromosoma no se transfieren (Figura 13.15/J). En cambio, los genes bacterianos del plásmido F' sí son transferidos con él y no necesitan incorporarse al cromosoma receptor para expresarse. El receptor se convierte en F' y es un merocigoto parcialmente diploide, puesto que contiene dos juegos de genes, uno de ellos transportado por el plásmido. De esta forma, determinados genes bacterianos pueden diseminarse rápidamente en una población bacteriana. Este tipo de transferencia de genes bacterianos recibe a menudo el nombre de sexducción.

La conjugación F es un proceso de gran importancia para el genetista microbiano. El comportamiento diploide parcial pone de manifiesto si un alelo que porta un plásmido F es dominante o recesivo para el gen cromosómico.

La formación de plásmidos F' también es de utilidad para realizar el mapa del cromosoma, puesto que si dos genes determinados son adquiridos por un factor F simultáneamente dichos genes deben ser vecinos en el cromosoma.