Genoma Bacteriano: Estructura, tamaño y material

Genoma bacteriano

Un genoma es el conjunto completo de información genética presente como cromosomas en el organismo. El genoma contiene todos los genes de un organismo. Un gen es una unidad estructural y funcional del genoma que codifica proteínas esenciales para el funcionamiento y la supervivencia de un organismo. El gen es un tramo de ADN que contiene información sobre la proteína específica del organismo. Las principales diferencias entre un gen y un genoma se describen a continuación:

El genoma humano está formado por 23 pares de cromosomas. Cada par de cromosomas se originó a partir de cada padre, creando así dos copias de cada cromosoma en el genoma. Estos genomas se denominan diploides. Un organismo con genoma diploide consta de dos copias de cada tipo de cromosoma que contiene. El genoma diploide se encuentra en las células somáticas humanas, mientras que las células germinales tienen solo una copia de los cromosomas. Por tanto, las células germinales se consideran células haploides con genoma haploide. Durante la reproducción sexual, los genomas haploides de dos células germinales (una de cada padre) se unen para formar el cigoto diploide. El cigoto sufre varias divisiones celulares y se convierte en un organismo diploide.

El genoma de E. coli.

El genoma de una bacteria típica consta de un único ADN circular llamado cromosoma bacteriano. E. coli es un ejemplo de bacteria popular y bien estudiado. El genoma, así como la estructura celular de E. coli, está muy bien investigado y proporcionó varios conocimientos útiles sobre las células bacterianas. Como cualquier otro organismo, el ADN bacteriano está compuesto por cuatro bases nitrogenadas: adenina (A), guanina (G), citosina (C) y timina (T). El ADN está compuesto por dos hebras antiparalelas de desoxinucleótidos, en las que cada hebra tiene la columna vertebral de azúcar-fosfato y una base nitrogenada unida a cada molécula de azúcar. Las bases complementarias de las hebras opuestas se emparejan con la ayuda de enlaces de hidrógeno.

El ADN bacteriano está asociado con varias proteínas y ARN estabilizadores en el cromosoma. Estas proteínas ayudan en la compactación de los cromosomas bacterianos y les permiten caber en las pequeñas células bacterianas. A diferencia de los humanos, el genoma bacteriano es haploide y tiene una sola copia del cromosoma. Las bacterias se someten a reproducción asexual en la que una copia replicada del cromosoma pasa de la célula madre a la célula hija. La reproducción asexual crea clones de bacterias con genomas idénticos y haploides.

Las bacterias son procariotas que carecen de un núcleo verdadero. El genoma de un organismo procariótico varía del genoma de un eucariota (una célula eucariota tiene un núcleo verdadero y varios orgánulos unidos a una membrana) de varias maneras. Las principales diferencias y comparaciones entre los genomas de procariotas y eucariotas se muestran a continuación.

Material genético de las bacterias.

El material genético porta toda la información específica de un organismo y se hereda de la generación anterior a la siguiente. Por tanto, el material genético es la sustancia hereditaria de la célula que especifica la identidad de un organismo. Para la mayoría de los organismos de la Tierra, el ADN es el material genético. El ARN forma el material genético de ciertos virus como el SARS CoV-2. El ADN, el ARN y los genes forman los tres tipos de materiales genéticos.

A diferencia del genoma eucariota, el cromosoma bacteriano no está encerrado dentro de la membrana nuclear. El material genético se encuentra más bien en el citoplasma de las células bacterianas. El nucleoide es la ubicación citoplasmática de un cromosoma bacteriano. El nucleoide se diferencia del núcleo en que carece de membrana. Un núcleo verdadero que está presente en los eucariotas contiene membranas nucleares dobles. Un nucleoide ocupa alrededor de un tercio del espacio de toda la célula bacteriana.

superenrollamiento

El diámetro medio de una célula bacteriana es de alrededor de 0,5 a 2,0 micrómetros. La longitud de un cromosoma bacteriano cuando se corta y se coloca recto es de aproximadamente 1,5 milímetros. Esto significa que el cromosoma tiene una longitud más de 500 veces mayor que la longitud total de la célula. La presencia de un genoma bacteriano enorme requiere el proceso de empaquetamiento del ADN para condensarlo y acomodarlo dentro de un pequeño espacio de la célula. El ADN bacteriano sufre un superenrollamiento y una condensación de alto nivel con la ayuda de proteínas de unión al ADN. Este empaquetado de ADN ayuda al ADN bacteriano a encajar en el nucleoide, proporcionando así suficiente espacio en el citoplasma para otros orgánulos.

El superenrollamiento se refiere a la torsión y envoltura del ADN alrededor de sí mismo varias veces. Existe la misma posibilidad de que se produzcan dos tipos de superenrollamiento en el genoma bacteriano, a saber:

1. Superenrollamiento positivo: El superenrollamiento positivo se refiere a la torsión del ADN en la misma dirección que la doble hélice del ADN.
2. Superenrollamiento negativo: El superenrollamiento negativo se refiere a la torsión del ADN en la dirección opuesta a la doble hélice del ADN.

Un genoma bacteriano en situaciones normales está superenrollado negativamente. Varias proteínas y enzimas actúan juntas para condensar el genoma bacteriano. Un ejemplo de dicha proteína es la proteína HU. HU es una pequeña proteína bacteriana que se asemeja a las proteínas histonas que se encuentran en los eucariotas. Existe otro conjunto de proteínas que ayudan a mantener la condensación del genoma. El genoma completo de las bacterias está plegado en varios dominios superenrollados conocidos como estructuras de dominios en bucle. Estas estructuras dividen el genoma bacteriano en varios dominios topológicos independientes o aislados. Estos dominios o estructuras en bucle abarcan alrededor de 10 kb de longitud del ADN bacteriano. Las estructuras de dominio en bucle dan en conjunto una apariencia de flor al genoma bacteriano en lugar de una disposición circular abierta.

Tamaño del genoma

El tamaño del genoma de una bacteria es enorme y generalmente oscila entre 0,16 y 10 Mb (megapares o millones de pares de bases). El genoma contiene varios miles de genes que son extremadamente indispensables para el crecimiento y la supervivencia de las bacterias. Por ejemplo, la longitud del genoma de E. coli es de alrededor de 5 Mb y contiene cerca de 4000 genes.

Curiosamente, existe una gran variación en el tamaño del genoma entre las especies bacterianas en comparación con otras clases de formas de vida. Existe una fuerte correlación entre el tamaño del genoma y la cantidad de genes esenciales en los genomas de las bacterias. El estilo de vida de las bacterias como libres, patógenas o simbiontes tiene un mayor impacto en el tamaño del genoma que poseen. Las bacterias de vida libre contienen un genoma de mayor tamaño que el de los patógenos y simbiontes. Estas diferencias pueden explicarse por la dependencia de los patógenos y simbiontes de las células huésped para su cumplimiento parcial relacionado con su crecimiento y supervivencia. Estas bacterias pierden varios genes durante su transición de formas de vida libre a formas parásitas o simbióticas. Ciertos productos genéticos de la célula huésped compensaron la pérdida de genes del genoma de estas bacterias.

Plásmidos

Los plásmidos son ADN extracromosómico, pequeño y circular que se encuentra específicamente en ciertas especies de bacterias. Los plásmidos portan algunos genes accesorios. De ellos, la bacteria huésped adquiere caracteres especiales. Los genes transportados por el plásmido en su mayoría no son esenciales para el crecimiento y funcionamiento normales y no están relacionados con la virulencia, la fertilidad, la defensa, etc. Dependiendo de los genes presentes y expresados ​​por los plásmidos, las bacterias pueden producir ciertos antibióticos o factores de conjugación, o presentan resistencia a antibióticos específicos. La eliminación de los plásmidos de las bacterias no dará como resultado la muerte de las bacterias, sino que las bacterias perderán las características adicionales proporcionadas por el plásmido. Hay cinco tipos principales de plásmidos que se encuentran entre las bacterias:

1. Plásmidos F: también conocidos como plásmidos de fertilidad; Ayudan en la transferencia de genes de una bacteria a otra.
2. Plásmidos R: también conocidos como plásmidos de resistencia; Contienen genes que proporcionan a las bacterias resistencia contra ciertos venenos o antibióticos.
3. Plásmidos de virulencia: la presencia de plásmidos de virulencia convierte a las bacterias en patógenos que causan enfermedades.
4. Plásmidos degradativos: los productos genéticos de los genes presentes en los plásmidos degradativos ayudan a las bacterias en la degradación o descomposición de sustancias químicas complejas como el xileno, el tolueno, etc.
5. Plásmidos Col: Los plásmidos Col contienen genes que producen proteínas letales llamadas colicinas. Las bacterias que tienen plásmidos col usan colicina para matar otras bacterias para su defensa.

Los plásmidos son herramientas muy útiles y ampliamente utilizadas en ingeniería genética o tecnología de ADN recombinante. Debido a su pequeño tamaño y su naturaleza autorreplicante, los plásmidos se utilizan como vectores o vehículos para transportar ADN recombinante (nuevas combinaciones de material genético que no se encuentran en la naturaleza) o cualquier gen deseado dentro de la célula viva. Un plásmido puede manipularse fácilmente mediante técnicas de biología molecular para convertirlo en un vector de entrega de ADN. Se diseña una región de polienlazador que contiene múltiples sitios de corte de enzimas de restricción en el plásmido para permitir la clonación de ADN recombinante en el vector plasmídico. Hay varias funciones importantes que desempeñan los vectores plásmidos en el campo de la biotecnología. Algunas de las funciones principales de los vectores plasmídicos se enumeran a continuación:

• Amplificación o producción de muchas copias de ciertos genes.
• Producción de proteínas recombinantes en gran cantidad.
• Transferencia de genes extraños (terapia génica) a células humanas.

Resumen de la lección

El genoma es el conjunto completo de genes que contienen toda la información genética de un organismo. El genoma procariótico, como el de las bacterias, está disperso en el citoplasma en un lugar específico llamado nucleoide. El nucleoide se diferencia del verdadero núcleo de una célula eucariota por la falta de membranas que encierren el genoma. El genoma bacteriano porta un conjunto de genes y se considera haploide. El genoma eucariota, por otro lado, es diploide en somático con dos copias de genes, una procedente de cada padre. El genoma procariótico es más compacto con una mayor proporción de ADN codificante y no codificante que el genoma eucariota.

Los tamaños del genoma bacteriano varían de 0,16 a 10 Mb con una correlación positiva con la cantidad de genes esenciales presentes. El enorme genoma de las bacterias se pliega y condensa mediante un superenrollamiento del ADN. Puede haber dos tipos de superenrollamiento del ADN:

• Superenrollamiento positivo
• superenrollamiento negativo

El genoma bacteriano tiene varios dominios superenrollados conocidos como estructuras de dominios en bucle. Estas estructuras en conjunto dan una apariencia de flor al genoma bacteriano. Los plásmidos son ADN extracromosómico, pequeño y circular que se encuentra en determinadas bacterias. Estos plásmidos contienen genes adicionales que confieren características especiales a las bacterias que albergan estos plásmidos. Los plásmidos son herramientas moleculares muy importantes y se utilizan como vectores de entrega de ADN en ingeniería genética. Los vectores plásmidos desempeñan funciones importantes, como la terapia génica, el ADN recombinante y la producción de proteínas en el campo de la biotecnología.

Rodrigo Ricardo Editor y fundador