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GENETICA BACTERIANAGENETICA BACTERIANA

MICROBIOLOGIAMICROBIOLOGIA20042004

M.ScM.Sc Martha Flórez FloresMartha Flórez Flores

•• La reproducción bacteriana se realiza La reproducción bacteriana se realiza asexualmenteasexualmente (fisión binaria) precedida (fisión binaria) precedida

por una duplicación de ADN y una por una duplicación de ADN y una separación de las dos moléculas. separación de las dos moléculas.

•• Para que se exprese la información es Para que se exprese la información es necesario 3 macromoléculas:necesario 3 macromoléculas:

ADN (material genético de la bacteria)ARN (mensajero, ribosómico y de transferencia).Polipéptido ( la proteína- el producto final)

•• DNA (transcripción)DNA (transcripción)------>RNA>RNA(transducci(transduccióón) n) ------> Prote> Proteíínana

Genoma bacterianoGenoma bacteriano

•• Conjunto de genes que posee una Conjunto de genes que posee una bacteria tanto en su bacteria tanto en su cromosomacromosoma como en como en sus elementos sus elementos extracromosómicosextracromosómicos (si los (si los

posee).posee).

•• El cromosoma bacteriano consta de una El cromosoma bacteriano consta de una sola molécula circular de sola molécula circular de ADN de doble ADN de doble cadenacadena (5 millones de pares de bases).(5 millones de pares de bases).

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•• Las bacterias pueden contener Las bacterias pueden contener elementos extracromosómicos como los elementos extracromosómicos como los plásmidosplásmidos y y bacteriófagos bacteriófagos siendo estossiendo estosindependientes del cromosoma independientes del cromosoma bacteriano y pueden transmitirse de una bacteriano y pueden transmitirse de una célula a otra.célula a otra.

•• Los Los genes esencialesgenes esenciales para el para el crecimiento bacteriano se encuentran en crecimiento bacteriano se encuentran en el cromosoma y los plásmidos portan el cromosoma y los plásmidos portan genes vinculados con funciones genes vinculados con funciones especializadas.especializadas.

•• EL ADN se sintetiza por replicación EL ADN se sintetiza por replicación semiconservadorasemiconservadora y y bidireccionalbidireccional. Las . Las moléculas de ADN que contienen la moléculas de ADN que contienen la información genética necesaria para su información genética necesaria para su propia replicación se llaman propia replicación se llaman replicones.replicones.

PlásmidoPlásmido:: elemento genético elemento genético extracromosomico, constituido por ADN extracromosomico, constituido por ADN de doble cadena circular, puede de doble cadena circular, puede eliminarse de la bacteria sin aparente eliminarse de la bacteria sin aparente alteración de sus características alteración de sus características biológicas.biológicas.

•• Los plásmidos codifican 3 grupos de Los plásmidos codifican 3 grupos de genes.genes.

Los de autorreplicaciónLos responsables de sus caracteres fenotípicos (resistencia antibiótica, antisépticos, producción de toxinas, etc.)Los que intervienen en su transferencia, formación de los pili y proteínas asociadas.

Tipos de Plasmidos Tipos de Plasmidos

•• Plásmidos RPlásmidos R– Resistencia a los antibióticos

• Ej. Staphylococcus

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•• Plásmidos productores de antibióticosPlásmidos productores de antibióticos– Ej. Streptomyces

•• Plásmidos productores de Plásmidos productores de bacteriocinasbacteriocinas– Colicinas– Ej. Bacterias entéricas

•• Plásmidos de virulenciaPlásmidos de virulencia– Enterotoxina y hemolisina

• Ej. Escherichia coli– Coagulasa, hemolisina y enterotoxina

• Ej. Staphylococcus aureus

•• EpisomaEpisoma: Plasmidos con capacidad de : Plasmidos con capacidad de integrarse en el genoma, quedando bajo integrarse en el genoma, quedando bajo su control de replicación.su control de replicación. REPLICACIÓN DEL ADN REPLICACIÓN DEL ADN

BACTERIANOBACTERIANO

•• La replicación del ADN bacteriano se La replicación del ADN bacteriano se inicia en una secuencia especifica del inicia en una secuencia especifica del cromosoma denominado cromosoma denominado OriCOriC..

•• El proceso de replicación exige de El proceso de replicación exige de muchas enzimas como:muchas enzimas como:HelicasaHelicasa (desenrolla el ADN)(desenrolla el ADN)PrimasaPrimasa (sintetiza los cebadores que inician el (sintetiza los cebadores que inician el proceso).proceso).ADN polimerasasADN polimerasas (que copian el ADN en (que copian el ADN en dirección 5’a 3’)dirección 5’a 3’)

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•• Las bacterias tienen 2 tipos de ADN: Las bacterias tienen 2 tipos de ADN: replicones y no replicones.replicones y no replicones.

Replicón: Segmento de ADN que puede replicarse de manera autónoma por que tiene un origen de replicación como el OriC. El cromosoma, plásmidos y bacteriófagos son replicones

No replicónNo replicón: segmento de ADN que : segmento de ADN que carece de origen de replicación (carece de origen de replicación (OriCOriC) y ) y solo puede replicarse si se recombina solo puede replicarse si se recombina con un replicón.con un replicón.

•• Los Los operonesoperones son grupos de uno o más son grupos de uno o más genes estructurales que codifican genes estructurales que codifican enzimas de una vía específica, regulados enzimas de una vía específica, regulados de una forma coordinada (Ej. operón de una forma coordinada (Ej. operón laclacde Escherichia coli).de Escherichia coli).

Elementos transponiblesElementos transponibles(Transposones)(Transposones)

•• LaLa transposicióntransposición es el proceso por el que es el proceso por el que los genes se mueven de un lugar a otro los genes se mueven de un lugar a otro en el genoma.en el genoma.

•• La transposición de genes está ligada a La transposición de genes está ligada a la presencia de elementos genéticos la presencia de elementos genéticos especiales llamados especiales llamados elementos elementos transponibles:transponibles:– Secuencias de inserción (SI)– Transposones complejos– Transposones asociados a fagos

(Bacteriófago µ)

•• Las SI y los transposones llevan genes Las SI y los transposones llevan genes que codifican una que codifican una transposasatransposasa,, enzima enzima requerida para la transposición.requerida para la transposición.

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•• Las SI son el tipo más Las SI son el tipo más simplesimple y no llevan y no llevan otra información genética que la otra información genética que la requerida para desplazarse a nuevos requerida para desplazarse a nuevos lugares. Se encuentran tanto en el ADN lugares. Se encuentran tanto en el ADN cromosómico como plasmídico, así como cromosómico como plasmídico, así como en ciertos bacteriófagosen ciertos bacteriófagos

•• Los transposones complejos Los transposones complejos (“(“genes genes saltarinessaltarines”)”) son más largos que las SI y son más largos que las SI y llevan otros genes, algunos de los cuales llevan otros genes, algunos de los cuales confieren importantes propiedades al confieren importantes propiedades al organismo que los lleva (Ej. resistencia a organismo que los lleva (Ej. resistencia a los fármacos).los fármacos).

•• Los transposones tienen Los transposones tienen genesgenes que les que les permiten no solo moverse de un sitio a permiten no solo moverse de un sitio a otro del genoma bacteriano sino también otro del genoma bacteriano sino también transferirse de una bacteria a otra.transferirse de una bacteria a otra.

•• El bacteriófago El bacteriófago µµ es un transposon (es un transposon (Tn3Tn3) ) asociado al fago de E.coli, este porta el asociado al fago de E.coli, este porta el gen para la resistencia a la ampicilina.gen para la resistencia a la ampicilina.

•• Al parecer Al parecer Haemophilus influenzaeHaemophilus influenzae y y Neisseria gonorrhoeaeNeisseria gonorrhoeae desarrollaron desarrollaron resistencia por primera vez a la resistencia por primera vez a la ampicilinaampicilina cuando obtuvieron cuando obtuvieron Tn3Tn3 de de E.coliE.coli

ImportanciaImportancia

•• Estos genes móviles pueden infectar Estos genes móviles pueden infectar plásmidos y favorecer la aparición de la plásmidos y favorecer la aparición de la resistencia a antimicrobianosresistencia a antimicrobianos en el en el medio hospitalariomedio hospitalario

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INTERCAMBIO GENÉTICO INTERCAMBIO GENÉTICO EN LAS BACTERIASEN LAS BACTERIAS

MecanismoMecanismo

•• El intercambio es El intercambio es unidireccionalunidireccional, es , es decir, tiene una determinada polaridad, decir, tiene una determinada polaridad, existiendo células donadoras y células existiendo células donadoras y células receptoras.receptoras.

•• El intercambio del El intercambio del genomiogenomio de una célula de una célula a otra no suele ser total, sino a otra no suele ser total, sino parcial.parcial.

•• Parte del material genético, una vez Parte del material genético, una vez introducido en la célula receptora, sufre introducido en la célula receptora, sufre inmediatamente un fenómeno de inmediatamente un fenómeno de recombinaciónrecombinación con el con el genomiogenomio de la de la receptora. receptora.

•• El resto del material de la donadora o no El resto del material de la donadora o no se replica, o se ve destruido.se replica, o se ve destruido.

•• La recombinación genética puede La recombinación genética puede observarse porque se transfieren observarse porque se transfieren fragmentos de ADN homólogo desde un fragmentos de ADN homólogo desde un cromosoma cromosoma donadordonador a una célula a una célula receptorareceptora por uno de estos tres por uno de estos tres procesos:procesos:

TRANSFORMACIÓNTRANSFORMACIÓN

•• Captación y asimilación de Captación y asimilación de ADN libreADN libre(desnudo), a partir del medio, por parte (desnudo), a partir del medio, por parte de una célula receptora. de una célula receptora.

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•• La bacteria capaz de asimilar ese ADN La bacteria capaz de asimilar ese ADN se denomina se denomina “transformable”.“transformable”. La La capacidad de las bacterias a capacidad de las bacterias a transformarse se conoce como transformarse se conoce como competencia competencia y depende de la presencia y depende de la presencia de un factor de competencia (péptido)de un factor de competencia (péptido)..

•• Existen varios géneros con especies que Existen varios géneros con especies que poseen sistemas naturales de poseen sistemas naturales de transformación:transformación:

•• Streptococcus, Bacillus, Haemophilus, Streptococcus, Bacillus, Haemophilus, PseudomonaPseudomona..

TransfecciónTransfección•• Es el proceso por el cual las bacterias se Es el proceso por el cual las bacterias se

pueden transformar con ADN extraído pueden transformar con ADN extraído de un de un bacteriófagobacteriófago o plásmido en vez o plásmido en vez de ADN cromosómico.de ADN cromosómico.

ImportanciaImportancia

•• Se puede inducir a las bacterias para Se puede inducir a las bacterias para que acepten genes eucariotas divididos que acepten genes eucariotas divididos dentro de plásmidos y como resultado dentro de plásmidos y como resultado las bacterias transformadas son capaces las bacterias transformadas son capaces de sintetizar proteínas humanas.de sintetizar proteínas humanas.

CONJUGACIÓNCONJUGACIÓN•• Transferencia directa de material Transferencia directa de material

genético, promovida por un genético, promovida por un plásmidoplásmido, , desde una célula donadora a otra desde una célula donadora a otra receptora, por medio de receptora, por medio de contactos contactos íntimosíntimos entre ambas (puentes de unión o entre ambas (puentes de unión o conjugados). conjugados).

•• La conjugación produce la transferencia La conjugación produce la transferencia unidireccional de ADN desde una célula unidireccional de ADN desde una célula donadora hasta una célula receptora a donadora hasta una célula receptora a través del llamado través del llamado pili sexual pili sexual (Gram (Gram negativas).negativas).

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•• El tipo de acoplamiento depende de la El tipo de acoplamiento depende de la presencia (en la célula donadora) o presencia (en la célula donadora) o ausencia (en la célula receptora) de un ausencia (en la célula receptora) de un plásmido conjugadoplásmido conjugado (portador de todos (portador de todos los genes necesarios para su propia los genes necesarios para su propia transferencia).transferencia).

Tipos de conjugaciónTipos de conjugación

Que se producen por:Que se producen por:1.1. Transferencia de genes de plásmidos.Transferencia de genes de plásmidos.2.2. Transferencia de genes cromosómicos.Transferencia de genes cromosómicos.3.3. Transferencia de genes de plásmidos y Transferencia de genes de plásmidos y

cromosómicos.cromosómicos.

•• Aunque por regla general la conjugación Aunque por regla general la conjugación tienen lugar entre miembros de la tienen lugar entre miembros de la misma misma especieespecie, también se ha demostrado que , también se ha demostrado que ocurre entre bacterias y células ocurre entre bacterias y células vegetales, animales y hongos.vegetales, animales y hongos.

ImportanciaImportancia

•• Es una herramienta útil para la Es una herramienta útil para la elaboración de elaboración de mapas genéticosmapas genéticosbacterianos. En el curso de la bacterianos. En el curso de la conjugación, los genes son transmitidos conjugación, los genes son transmitidos en forma consecutiva, a velocidad en forma consecutiva, a velocidad constante y siempre en el mismo orden constante y siempre en el mismo orden relativo.relativo.

TRANSDUCCIÓNTRANSDUCCIÓN

•• El material genético es transportado El material genético es transportado desde la célula donadora a la receptora desde la célula donadora a la receptora por medio de un por medio de un virus bacteriano virus bacteriano (bacteriófago), que actúa como vector. (bacteriófago), que actúa como vector.

•• La integración de un fago al genoma La integración de un fago al genoma bacteriano es en regiones bacteriano es en regiones predeterminadas o al azar, en ambos predeterminadas o al azar, en ambos casos hay interrupción de la lectura del casos hay interrupción de la lectura del ADN bacteriano en el sentido de la ADN bacteriano en el sentido de la transcripcióntranscripción..

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•• Existen 2 tipos de transducción: Existen 2 tipos de transducción: generalizada (si los fagos transfieren generalizada (si los fagos transfieren genes con genes con secuencias aleatoriassecuencias aleatorias a causa a causa de un almacenamiento accidental del de un almacenamiento accidental del ADN del huésped) o especializada (si los ADN del huésped) o especializada (si los fagos transfieren fagos transfieren genes específicosgenes específicos).).

•• Existen varios géneros con especies que Existen varios géneros con especies que poseen sistemas naturales de poseen sistemas naturales de transducción:transducción:

•• Salmonella, E. coli.Salmonella, E. coli.

ImportanciaImportancia

•• Muchos factores de resistencia se Muchos factores de resistencia se diseminan por transducción (Gram diseminan por transducción (Gram positivos).positivos).

•• Es una herramienta útil para la Es una herramienta útil para la elaboración de mapas genéticos elaboración de mapas genéticos bacterianos.bacterianos.

BacteriófagosBacteriófagos•• Son virus bacterianos. Pueden sobrevivir Son virus bacterianos. Pueden sobrevivir

fuera de la célula huésped porque el fuera de la célula huésped porque el genoma (ADN o ARN) esta protegido por genoma (ADN o ARN) esta protegido por una capa de proteínas.una capa de proteínas.

•• Los fagos se diferencian en base a su Los fagos se diferencian en base a su modo de propagación en modo de propagación en líticoslíticos y y lisogénicoslisogénicos. Los . Los fagos líticosfagos líticos producen producen muchas copias de sí mismos conforme muchas copias de sí mismos conforme destruyen a la célula huésped (Ej. fago destruyen a la célula huésped (Ej. fago T4 de Escherichia coli).T4 de Escherichia coli).

•• El El fago fago ββ de Corynebacterium de Corynebacterium diphtheriae codifica la toxina diftdiphtheriae codifica la toxina diftéérica, rica, por tanto, spor tanto, sóólo las bacterias lisoglo las bacterias lisogéénicas nicas son capaces de producir la difteria.son capaces de producir la difteria.

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APLICACIONES MÉDICASAPLICACIONES MÉDICAS

•• La La ingeniería genéticaingeniería genética (biotecnología de (biotecnología de la genética bacteriana) permite arrancar la genética bacteriana) permite arrancar genes (segmentos de ADN) de un tipo de genes (segmentos de ADN) de un tipo de organismo y combinarlos con los genes organismo y combinarlos con los genes de un segundo organismo.de un segundo organismo.

•• Así de organismos relativamente simples Así de organismos relativamente simples como bacterias o levaduras se puede como bacterias o levaduras se puede inducir a inducir a fabricarfabricar grandes cantidades grandes cantidades de de proteínas humanasproteínas humanas (interferones e (interferones e interleuquinasinterleuquinas. .

•• Ellos pueden fabricar también proteínas Ellos pueden fabricar también proteínas de agentes infecciosos tales como el de agentes infecciosos tales como el virus de la hepatitis o el virus del SIDA, virus de la hepatitis o el virus del SIDA, para su para su uso en vacunasuso en vacunas..

APLICACIONES PRACTICASAPLICACIONES PRACTICAS•• Fermentaciones microbianasFermentaciones microbianas

– Antibióticos•• Vacunas viralesVacunas virales

– Hepatitis B•• ProteínasProteínas

– Insulina

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•• Regulación y terapia génicaRegulación y terapia génica– Interferón

•• ClonaciónClonación•• Vegetales y animales transgénicosVegetales y animales transgénicos•• Biodegradación de desechos tóxicosBiodegradación de desechos tóxicos