Transformación (genética)

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La transformación ( ing.  transformación ) es el proceso de absorción de una molécula de ADN por una célula bacteriana del entorno externo. Para ser capaz de transformación, una célula debe ser competente , es decir, las moléculas de ADN deben poder penetrar en ella a través de las membranas celulares. La transformación se usa activamente en biología molecular e ingeniería genética .

Cabe señalar que el término "transformación" se refiere únicamente a las células bacterianas. La entrada de ADN extraño en las células eucariotas se denomina transfección [1] .

Historia del estudio

El fenómeno de transformación fue observado por primera vez en 1928 por Frederick Griffith , quien trabajó con neumococos ( Streptococcus pneumoniae ). Descubrió que las cepas avirulentas que carecen de una cápsula pueden obtener algo incluso de las células virulentas muertas que tienen una cápsula y, como resultado, se vuelven virulentas. Después de 16 años, Avery, McLeod y McCarthy demostraron que este mismo agente era ADN que contenía los genes necesarios para la formación de la cápsula [2] . Aislaron ADN de una cepa virulenta de S. pneumoniae y demostraron que la introducción de este ADN solo en las células de una cepa avirulenta las convierte en patógenos. Los resultados de Avery y sus colegas fueron inicialmente recibidos con escepticismo, y finalmente fueron reconocidos como confiables después de la descripción del fenómeno de la transferencia genética por parte de Joshua Lederberg : conjugación (en 1947) y transducción (en 1953) [3] .

En 1970, se demostró experimentalmente que las células de Escherichia coli pueden absorber el ADN del bacteriófago λ sin el fago auxiliar después de ser tratadas con una solución de cloruro de calcio [4] . Dos años después, se demostró la posibilidad de captura por parte de células en condiciones similares de ADN plasmídico [5] . Así se inventó la transformación química. A finales de la década de 1980, se empezó a utilizar la electroporación para transformar células bacterianas , que en muchos casos resultó ser más eficaz que la transformación química y era aplicable a un mayor número de cepas [6] .

Mecanismo

Muchas bacterias son capaces de transformación, por ejemplo, Streptococcus , Haemophilus , Bacillus , actinomicetos , cianobacterias y otras bacterias. Por lo tanto, la variación antigénica observada en el agente causante de la gonorrea , Neisseria gonorrhoeae , es proporcionada por la transformación, en la que las células transfieren entre sí genes de diferentes variantes de pili , por lo que se adhieren a las células del organismo huésped [7] . En el estado normal, la penetración de grandes moléculas de ADN en las células bacterianas se ve impedida por cubiertas densas, por lo tanto, para ser capaz de transformarse, la célula debe entrar en el llamado estado de competencia. En condiciones naturales, la competencia adquiere una parte de la cultura en la fase logarítmica de crecimiento bajo la influencia de ciertas proteínas (factores de competencia) que actúan a través de un sistema de dos componentes . El cloranfenicol , que bloquea la síntesis de proteínas , impide la formación de células competentes [8] . También es posible que la densidad del cultivo bacteriano juegue un papel en el desarrollo de la competencia, ya que aumenta la concentración de factores de competencia. En Streptococcus mutans y otras especies del género Streptococcus , la transformación suele ocurrir durante la formación de biopelículas [9] . En Bacillus subtilis , varios genes involucrados en el desarrollo de la competencia también están involucrados en la esporulación . El desarrollo de la competencia en la fase logarítmica se debe a la falta de nutrientes ya la acumulación de un número importante de factores de competencia [7] . Los bacteriófagos pueden provocar la transformación, provocando la liberación de ADN de las células moribundas [10] , así como daños en el ADN bacteriano [11] . La adquisición de competencia es un proceso fisiológico extremadamente complejo, en Bacillus subtilis requiere la expresión de unos 40 genes [12] .

Primero, las células competentes se unen al ADN con su superficie usando receptores especiales , y la célula se transforma mucho más fácilmente con fragmentos lineales que con circulares. Las nucleasas dividen el ADN en fragmentos que pesan hasta 4-5 millones de Da , y solo una de las dos cadenas de fragmentos ingresa a la célula. Algunas bacterias, como los neumococos y Bacillus subtilis , pueden tomar ADN de una variedad de fuentes, mientras que otras, como Haemophilus , solo pueden tomar ADN de células de su propia especie . Los fragmentos con una masa inferior a 500 kDa no entran en la celda [8] [2] .

Después de ingresar a la célula, el fragmento monocatenario se integra en el ADN genómico de la célula receptora. La transformación dura de 10 a 30 minutos y en diferentes bacterias ocurre con una frecuencia de alrededor del 1% [13] .

Significado

En condiciones naturales, la transformación permite que las bacterias obtengan genes del exterior que pueden ayudarlas a adaptarse a determinadas condiciones. Así, la transformación es uno de los mecanismos de la transferencia horizontal de genes , junto con la conjugación (el intercambio de material genético entre las células durante el contacto físico) y la transducción, en la que un fago transfiere un fragmento de ADN [14] . Dado que la competencia puede ser causada por daño en el ADN y, a menudo, ocurre bajo la acción de agentes que causan daño en el ADN (por ejemplo, en Helicobacter pylori , el antibiótico ciprofloxacino induce la transformación , lo que estimula la formación de roturas de doble cadena [15] ), la transformación puede servir como un mecanismo adaptativo que promueve la reparación del ADN . Al recibir un fragmento de ADN del exterior (especialmente de una bacteria de la misma especie), la bacteria puede utilizarlo como plantilla para reparar el daño mediante recombinación homóloga [16] .

La transformación se ha convertido en una técnica rutinaria de biología molecular para generar grandes cantidades del plásmido requerido . Para llevar artificialmente a las células a un estado de competencia, existen dos enfoques principales: la electroporación , en la que las células absorben el ADN después de aplicar un voltaje a corto plazo , y la transformación química, en la que las células se exponen a varias sales de iones divalentes , como el cloruro de calcio . [2] [17] .

Notas

  1. ↑ Transfección . Guía de Protocolos y Aplicaciones . Promega.
  2. ↑ 1 2 3 Dale & Park, 2004 , pág. 167.
  3. ↑ Lederberg J. La transformación de la genética por el ADN: una celebración de aniversario de Avery, MacLeod y McCarty (1944).  (Inglés)  // Genética. - 1994. - febrero ( vol. 136 , no. 2 ). - Pág. 423-426 . —PMID 8150273 .
  4. ↑ Mandel M. , Higa A. Infección por ADN de bacteriófagos dependientes de calcio.  (Inglés)  // Revista de Biología Molecular. - 1970. - 14 de octubre ( vol. 53 , n. 1 ). - pág. 159-162 . —PMID 4922220 .
  5. ↑ Cohen SN , Chang AC , Hsu L. Resistencia a los antibióticos no cromosómicos en bacterias: transformación genética de Escherichia coli por el ADN del factor R.  (inglés)  // Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América. - 1972. - Agosto ( vol. 69 , no. 8 ). - Pág. 2110-2114 . —PMID 4559594 .
  6. ↑ Wirth R. , Friesenegger A. , ​​Fiedler S. Transformación de varias especies de bacterias gramnegativas pertenecientes a 11 géneros diferentes por electroporación.  (Inglés)  // Genética molecular y general: MGG. - 1989. - marzo ( vol. 216 , n. 1 ). - pág. 175-177 . —PMID 2659971 .
  7. ↑ 12 Dale & Park, 2004 , pág. 166.
  8. ↑ 1 2 Inge-Vechtomov, 2010 , pág. 250.
  9. ↑ Aspiras MB , Ellen RP , Cvitkovitch DG ComX actividad de Streptococcus mutans creciendo en biopelículas.  (Inglés)  // FEMS Microbiology Letters. - 2004. - 1 de septiembre ( vol. 238 , n. 1 ). - pág. 167-174 . -doi : 10.1016/ j.femsle.2004.07.032 . — PMID 15336418 .
  10. ↑ Keen EC , Bliskovsky VV , Malagon F. , Baker JD , Prince JS , Klaus JS , Adhya SL Novel "Superspreader" Los bacteriófagos promueven la transferencia horizontal de genes por transformación.  (Inglés)  // MBio. - 2017. - 17 de enero ( vol. 8 , no. 1 ). -doi : 10.1128/ mBio.02115-16 . —PMID 28096488 .
  11. ↑ Claverys JP , Prudhomme M. , Martin B. Inducción de regulones de competencia como respuesta general al estrés en bacterias grampositivas.  (inglés)  // Revisión anual de microbiología. - 2006. - vol. 60 . - Pág. 451-475 . -doi : 10.1146 / annurev.micro.60.080805.142139 . — PMID 16771651 .
  12. ↑ Solomon JM , Grossman AD Quién es competente y cuándo: regulación de la competencia genética natural en bacterias.  (Inglés)  // Tendencias en Genética : TIG. - 1996. - Abril ( vol. 12 , no. 4 ). - P. 150-155 . — PMID 8901420 .
  13. ↑ Inge-Vechtomov, 2010 , pág. 250-251.
  14. ↑ Johnston C. , Martin B. , Fichant G. , Polard P. , Claverys JP Transformación bacteriana: distribución, mecanismos compartidos y control divergente.  (Inglés)  // Nature Reviews. microbiología. - 2014. - marzo ( vol. 12 , no. 3 ). - pág. 181-196 . -doi : 10.1038/ nrmicro3199 . — PMID 24509783 .
  15. ↑ Dorer MS , Fero J. , Salama NR El daño en el ADN desencadena el intercambio genético en Helicobacter pylori.  (Inglés)  // PLoS Patógenos. - 2010. - 29 de julio ( vol. 6 , no. 7 ). - P. e1001026-1001026 . - doi : 10.1371/journal.ppat.1001026 . —PMID 20686662 .
  16. ↑ Bernstein H., Bernstein C., Michod RE Capítulo 1: Reparación del ADN como función adaptativa principal del sexo en bacterias y eucariotas // Reparación del ADN: nueva investigación  (neopr.) / Kimura S., Shimizu S.. - Nova Sci . Publ., Hauppauge, NY, 2012. págs. 1-49. — ISBN 978-1-62100-808-8 . Copia archivada (enlace no disponible) . Consultado el 16 de noviembre de 2018. Archivado desde el original el 29 de octubre de 2013. 
  17. ↑ Donahue RA, Bloom FR Transformación de gran volumen con células químicamente competentes de eficiencia de alto rendimiento  //  Enfoque: diario. - 1998. - julio ( vol. 20 , no. 2 ). - Pág. 54-56 .

Literatura

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