En el siguiente artículo, veremos cómo se modifican genéticamente las bacterias en la naturaleza y en los seres humanos para aplicaciones generales de laboratorio. También repasaremos la finalidad de la transformación bacteriana y el protocolo que la rodea.
En general, pretendemos facilitar una mayor comprensión de cómo cambian las bacterias.
Definición de transformación bacteriana
La transformación bacteriana puede producirse en la naturaleza o modificando genéticamente las bacterias en los laboratorios.
La transformaciónbacteriana es el proceso o los pasos que dan las bacterias para captar ADN extraño de su entorno.
Figura 1: Ejemplo de modificación genética. Daniela Lin, StudySmarter Originals.
La Figura 1 muestra un ejemplo de lo que puede hacer la modificación genética. Quizá te preguntes de dónde sacamos la copia del gen de resistencia a los insectos. Pues bien, ¡la obtenemos de bacterias! Profundizaremos en ello más adelante en este artículo (en el apartado de aplicaciones bacterianas). Sólo tienes que entender que la transformación bacteriana puede implicar una modificación genética por nuestra parte.
Aunque existen múltiples técnicas de modificación genética, en general todas implican suprimir, añadir o desactivar/activar funciones genéticas específicas para darnos los rasgos deseados en un organismo.
Pasos de la transformación bacteriana
Como ya se ha explicado, la transformación es el cambio genético de una bacteria mediante la absorción de ADN extraño del medio ambiente. La transformación puede producirse en la naturaleza, pero es poco frecuente y se limita a determinadas bacterias.
Las bacteriascompetentes pueden captar fácilmente ADN extraño de su entorno.
- ADN significa ácido desoxirribonucleico. Es una molécula de doble cadena que transporta la información genética
de losorganismos vivos. - ARN significa ácido ribonucleico. Es una molécula monocatenaria formada a partir del ADN que sintetiza proteínas.
- El genoma es toda la información genética presente en un organismo vivo.
Además de tener ADN cromosómico, las bacterias también pueden tener plásmidos. Los plásmidos son pequeños fragmentos circulares de ADN que pueden copiarse y transferirse de una bacteria a otra. Los plásmidos también pueden aparecer de forma natural en las bacterias. Los plásmidos son la forma más habitual en que los científicos modifican genéticamente las bacterias, ya que contienen secuencias de ADN que pueden editarse en el laboratorio.
Figura 2: Cómo puede producirse la transformación bacteriana. Daniela Lin, StudySmarter Originals.
La figura 2 ilustra que cuando las bacterias competentes captan ADN extraño procedente de su entorno o de otras bacterias, el ADN extraño puede 1) incorporarse al genoma o ADN cromosómico o 2) incorporarse a un plásmido. En la naturaleza, las bacterias pueden transferir ADN utilizando pili o un apéndice en forma de pelo; este proceso se denomina conjugación bacteriana.
Para más información sobre la transferencia genética, consulta nuestro artículo sobre Transferencia horizontal de genes.
Los pasos típicos de la transformación de bacterias en el laboratorio son:
1. Las colonias deseadas de bacterias se mezclan con plásmidos. Estos plásmidos se han modificado genéticamente para que actúen como vectores.
- Los vectores se utilizan para transportar segmentos de ADN normalmente a otra célula bacteriana (un huésped) como parte de la clonación o la creación de ADN recombinante.
- Para modificar un plásmido, lo abrimos mediante enzimas de restricción y le introducimos el gen deseado. Una vez hecho esto, tenemos que volver a unir la secuencia de ADN rota utilizando ADN ligasa.
2. 2. Sometemos a las bacterias a un choque térmico o las electroporamos para que absorban el plásmido. El choque térmico o la electroporación funcionan porque ambos hacen que la membrana sea más permeable a los plásmidos al abrir los poros. (1)
- El choque térmico utiliza cloruro cálcico para disminuir la repulsión electrostática entre la membrana celular bacteriana y el plásmido. (1)
- La electroporación utiliza electricidad para forzar a las membranas celulares bacterianas a abrir sus poros temporalmente. (1)
3. Seleccionamos las bacterias que contienen plásmidos colocándolas en placas antibióticas.
- Las bacterias que contienen plásmidos gastan más energía que las que no. Esto significa que las bacterias que no tienen plásmidos crecerán más rápido que las que sí los tienen. Esto significa que tenemos que dar a las bacterias con plásmido ventajas para que quieran conservar su plásmido, y lo hacemos dándoles a todas genes de resistencia a los antibióticos.
- Colocando todas las bacterias de los pasos 1 y 2 en placas antibióticas, seleccionamos sólo las bacterias que contienen plásmido, porque todas las demás mueren.
- Cada bacteria con plásmido se multiplica en colonias.
4. Tenemos que comprobar las colonias para identificar cuáles tienen los plásmidos perfectos. Una vez hecho esto, podemos cultivar esta colonia y utilizarla para la producción de proteínas o plásmidos.
- La razón por la que necesitamos comprobar los plásmidos perfectos es que, a veces, cuando creamos plásmidos, pueden darse situaciones en las que el plásmido no adopte el gen deseado, el gen entre mal o al revés, etc.
Todos los pasos 1-4 se ilustran en la Figura 3 que se muestra a continuación como referencia.
Figura 3: Ilustración de la transformación de bacterias en el laboratorio. Daniela Lin, StudySmarter Originals
Diagrama de transformación bacteriana
Hasta ahora, hemos repasado la transformación bacteriana y su relación con la modificación genética. También hemos visto cómo se produce la transformación bacteriana 1) de forma natural y 2) en el laboratorio. Ahora podemos repasar un diagrama de cómo se descubrió por primera vez la transformación bacteriana para comprender mejor el concepto.
Frederick Griffith descubrió por primera vez que las bacterias podían transformarse. Fue el primero en demostrar que el ADN podía transferirse horizontalmente entre organismos de la misma generación, en lugar de verticalmente (de padres a hijos). (2)
Griffith trabajaba con dos cepas de Streptococcus pneumoniae, una bacteria responsable de la neumonía. (2)
- La cepa R, o cepa rugosa, no era virulenta porque no tenía cápsula y parecía rugosa cuando se cultivaba en placas.
- La cepa S, o cepa lisa, era virulenta porque tenía una cápsula y parecía lisa cuando se cultivaba en placas. La cápsula le permitía escapar de la ingestión.
Realizó los siguientes experimentos, que se muestran en la Figura 4:
- Comprobó que cuando inyectaba a los ratones una cepa viva S, morían, ya que la cepa era virulenta (experimento 1).
- Descubrió que vivían cuando inyectaba a los ratones una cepa viva R, ya que la cepa no era virulenta (grupo de control).
- Comprobó que los ratones sobrevivían cuando les inyectaba una cepa R viva o una cepa S muerta por calor.
- El problema era
- Los ratones morían cuando les inyectaba una mezcla de la cepa viva R y una cepa S muerta por calor. Por curiosidad, aisló bacterias vivas de estos ratones muertos y descubrió que ¡sólo había bacterias de la cepa S! Inyectó esta cepa S aislada en ratones vivos para confirmar que ¡habían muerto! Esto se muestra en la Figura 4 como experimentos 2 y 3.
Figura 4: Ilustración de los experimentos de transformación de Griffith. Daniela Lin, StudySmarter Originals.
Conclusión:
Griffith llegó a la conclusión de que algo se había transferido de la cepa muerta por calor S a la cepa viva R. Hoy en día, esto se conoce como principio de transformación de Griffith o transformación bacteriana.
Otras contribuciones notables son las de Oswald Avery, Colin MacLeod y Maclyn McCarty, que descubrieron que el ADN era el culpable de la posibilidad de transformación bacteriana y no el ARN.
Finalidad de la transformación bacteriana
La finalidad de la transformación bacteriana en la naturaleza es proporcionar diversidad genética a las células bacterianas, lo que les permite adaptarse mejor a un entorno cambiante. Las bacterias no se reproducen sexualmente, sino asexualmente mediante la fisión binaria.
La fisiónbinaria es un tipo de reproducción asexual en la que una célula madre se divide por la mitad, formando dos células hijas idénticas.
Aplicaciones de la transformación bacteriana
Tras comprender la finalidad de la transformación de bacterias, ahora podemos repasar en detalle algunas de las aplicaciones mencionadas anteriormente.
Clonación de ADN
- La Clonación de ADN se utiliza para crear muchas copias de un gen o fragmentos de ADN que interesan a los investigadores.
- Los científicos suelen utilizar la Clonación de ADN para sintetizar versiones recombinantes de ADN y compararlas con los genes normales de un organismo para comprender cómo funcionan inicialmente. Esto se denomina análisis genético.
- También podemos utilizar las bacterias transformadas para fabricar múltiples plásmidos y proteínas para realizar experimentos de terapia génica. Por ejemplo, Synlogic, una empresa de biotecnología, creó "una bacteria de diseño" llamada SYNB1618 para intentar curar la PKU o Fenilcetonuria, una enfermedad rara que provoca la acumulación de fenilalanina. (3)
Los investigadores de Synlogic seleccionaron tresgenes que ayudaban a convertir la fenilalanina en un compuesto más seguro llamado fenilpiruvato. Esto se debe a que, mientras los niveles de fenilalanina sean bajos, los pacientes con PKU seguirán estando bien. Los investigadores también garantizaron las precauciones de seguridad suprimiendo un gen esencial para producir un ingrediente que mantenía vivo al SYNB1618. Esto significaba que moriría si no suministraban a SYNB1618 este ingrediente. Los científicos lo confirmaron probándolo en ratones y observando que, en 48 horas, la bacteria de diseño moría si no le suministraban el elemento vital. Otras precauciones de seguridad que tomaron los científicos fueron utilizar todas las bacterias autóctonas de los intestinos microbianos humanos para garantizar la seguridad de los pacientes. ¡Ya que puede haber un sinfín de problemas asociados al desequilibrio del microbioma ! (3)
OMG
- OGM son las siglas de organismos modificados genéticamente, y solemos hacérselo a los alimentos para controlar las plagas, evitar la pérdida de cosechas y proporcionar una vida útil más larga, abaratando así el coste.
- Para producir un organismo modificado genéticamente, los científicos necesitan identificar un gen específico que produzca el rasgo o la función deseada en un organismo, como la resistencia a los insectos de la figura 1.
- Una vez hecho esto, pueden aislar esta secuencia de ADN y hacer muchas copias de ella mediante clonación de ADN en una bacteria (nuestra célula huésped). Por último, la transfieres a otro organismo o, en este ejemplo, a otra manzana. Si el protocolo se realiza correctamente, se fabricará una fruta resistente a los insectos.
- Al igual que la clonación de ADN, los OMG también tienen estrictas normas y controles para garantizar que no son tóxicos o perjudiciales para nuestra salud.
Transformación bacteriana - Puntos clave
- La transformación bacteriana es el proceso o los pasos que siguen las bacterias para tomar ADN extraño de su entorno.
- La modificación genética es cambiar, manipular o modificar los genes de un organismo mediante la tecnología.
- Hacer que las bacterias sean más competentes significa hacer que sus membranas celulares sean más permeables al ADN. Una vez que entra el ADN, las células lo utilizan para fabricar ARN y proteínas.
- El objetivo de la transformación bacteriana en la naturaleza es proporcionar diversidad genética a las células bacterianas, permitiéndoles adaptarse mejor a un entorno cambiante.
La transformación bacteriana en los laboratorios tiene como objetivo hacer muchas copias de ADN recombinante o clonación de ADN.
Referencias
- Thermo Fisher Scientific, Flujo de trabajo de la transformación bacteriana-4 pasos.
- Nina Parker y Mark Schneegurt y otros, Microbiología, 10.1 Usar la microbiología para descubrir los secretos de la vida, 2016.
- Pedro Belda Ferre, Fármacos vivos: Ingeniería de bacterias para tratar enfermedades genéticas, 2018.
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