5.1. Genoma, herencia y variación
La genética bacteriana estudia la organización, expresión y transmisión de la información hereditaria y los mecanismos que originan variación. El genoma determina capacidades potenciales de la célula, pero el fenotipo depende además de la regulación y del entorno. Dos bacterias con dotaciones genéticas semejantes pueden expresar estados fisiológicos diferentes.
La herencia vertical transmite información a las células descendientes durante la multiplicación. La transferencia horizontal incorpora material genético procedente de otras células o de elementos asociados a ellas. Ambos procesos contribuyen a la evolución de las poblaciones, pero solo la multiplicación aumenta directamente el número de células.
Genotipo: dotación genética de la bacteria.
Fenotipo: características que expresa una bacteria en unas condiciones determinadas.
Identificar un gen puede indicar una capacidad potencial, pero su efecto depende de integridad, expresión, contexto genético y condiciones del entorno.
5.2. Organización del material genético
5.2.1. Cromosoma y nucleoide
El ADN bacteriano es habitualmente bicatenario. Sus dos cadenas se orientan de forma antiparalela y sus bases presentan complementariedad: adenina con timina y guanina con citosina. La secuencia de nucleótidos contiene información funcional y regiones que intervienen en su regulación y organización.
En muchas bacterias existe un cromosoma circular localizado en el nucleoide, sin una envoltura nuclear eucariota. Hay excepciones importantes: algunas especies poseen más de un cromosoma o moléculas lineales. También puede variar el número de copias presentes durante el ciclo celular. Circularidad, unicidad y ausencia de núcleo delimitado son propiedades diferentes que pueden o no coexistir.
La compactación del ADN depende del superenrollamiento y de proteínas asociadas al nucleoide. Las topoisomerasas modifican la topología y permiten que se desarrollen replicación, transcripción y segregación. La ADN girasa y la topoisomerasa IV son relevantes como dianas de fluoroquinolonas, aunque sus contribuciones y susceptibilidad varían entre bacterias.
El tamaño del genoma y el número de genes difieren ampliamente entre especies. Escherichia coli posee varios miles de genes. Una bacteria con genoma reducido puede depender de un hospedador o de un nicho que aporte funciones que ha perdido, peor un genoma mayor no implica necesariamente mayor virulencia.
5.2.2. Genes y contenido G+C
Un gen es una unidad de información que da lugar a un producto funcional, que puede ser un ARN o una proteína. Las regiones reguladoras controlan cuándo y cuánto se expresa esa información. No todo gen tiene la misma longitud ni todo el ADN se organiza exclusivamente en secuencias codificadoras de proteínas.
El código genético relaciona codones del ARN mensajero con aminoácidos o señales de terminación. La identidad de una especie reside en la organización y secuencia de su genoma, no en disponer de un código genético completamente distinto del de otras bacterias. Conviene separar «código genético» de «información genética».
- El código genético bacteriano es el conjunto de instrucciones en el ADN que las bacterias usan para fabricar ARN y/o proteínas.
- La información genética es el contenido específico de genes que una bacteria posee en su ADN (en su cromosoma y plásmidos) para vivir, reproducirse y adaptarse.
Las principales diferencias entre ambos conceptos son:
- La propia naturaleza del concepto: el código genético es un «diccionario» o sistema de equivalencias (por ejemplo, saber que el codón AUG significa metionina). La información genética bacteriana son los datos concretos escritos con ese código (el genoma particular de una especie o cepa bacteriana).
- Universalidad vs. Variabilidad: el código genético es compartido por casi todos los seres vivos del planeta; una bacteria lee el ADN con las mismas reglas básicas que una célula humana. La información genética bacteriana es única y variable; cambia entre distintas especies de bacterias e incluso entre individuos de la misma especie gracias a las mutaciones y plásmidos.
- Dónde se encuentran: el código genético no es una estructura física que se «tenga» en un lugar, sino la regla biológica de interpretación. La información genética bacteriana reside físicamente en el cromosoma bacteriano (ADN circular principal) y en los plásmidos (pequeños fragmentos de ADN extracromosómico).
El contenido G+C expresa el porcentaje de guanina y citosina sobre el total de bases. Puede aportar información comparativa, pero dos genomas con un porcentaje similar no tienen necesariamente secuencias parecidas. Su valor aislado no basta para identificar una especie ni reconstruir parentesco con la precisión de los análisis de secuencia.
Un mismo porcentaje G+C puede corresponder a genomas muy diferentes. La composición global resume frecuencias; la comparación de secuencias examina el orden de las bases y aporta una información distinta.
5.2.3. Plásmidos
Los plásmidos son elementos genéticos capaces de replicarse de manera independiente del cromosoma. Muchos son moléculas circulares de ADN bicatenario, aunque existen plásmidos lineales. Su tamaño, número de copias y estabilidad varían. No todos son transferibles ni todos los que pueden transferirse contienen por sí mismos la totalidad de los sistemas necesarios para ello.
Pueden aportar:
- Resistencia a antibacterianos.
- Capacidades metabólicas.
- Producción de bacteriocinas.
- Determinantes asociados a interacción con el hospedador.
Un plásmido puede reunir varios tipos de función. Las funciones que aportan no convierten cualquier plásmido en un elemento imprescindible para la vida de la bacteria.
La persistencia de un plásmido depende de su replicación, segregación y efectos sobre la aptitud de la célula. En determinadas condiciones puede perderse; en otras, sus funciones favorecen su mantenimiento. La distribución de un plásmido entre bacterias no es una propiedad fija ni puede deducirse únicamente de su nombre histórico.
«Plasmídico» describe la localización de un determinante, no su función ni una garantía de transmisibilidad. Un gen de resistencia puede localizarse en un cromosoma o en un plásmido, y su movilidad depende del contexto genético que lo acompaña.
5.3. Replicación y transmisión vertical
La replicación duplica el ADN antes de su reparto a las células hijas. Es semiconservativa: cada molécula resultante contiene una cadena parental y otra de nueva síntesis. Las ADN polimerasas incorporan nucleótidos en sentido 5′→3′ utilizando una cadena molde y un extremo de inicio compatible con su actividad.
La separación local de las cadenas origina horquillas de replicación. Debido a la antiparalelidad, la síntesis de una cadena es relativamente continua y la otra se realiza mediante fragmentos que después se procesan y unen. La coordinación de estas actividades mantiene la duplicación de ambas cadenas sin cambiar la dirección química de síntesis.
En numerosas bacterias con un cromosoma circular, la replicación se inicia en una región de origen y progresa en dos direcciones. Los modelos de inicio y terminación varían entre replicones. Un replicón es una unidad de ADN cuya replicación se controla a partir de un origen; el concepto no exige que la molécula sea siempre un cromosoma circular.
La fidelidad depende de la selección de nucleótidos, actividades de corrección y reparación. Ningún sistema elimina completamente los errores de duplicación. La segregación cromosómica y la formación del septo deben coordinarse para que las células hijas reciban material genético viable.
La complementariedad permite copiar la secuencia y la replicación semiconservativa distribuye una cadena parental a cada molécula hija. La fidelidad es elevada, pero no absoluta; los errores que escapan a corrección pueden originar variación heredable.
5.4. Expresión y regulación génica
5.4.1. Transcripción y traducción
La transcripción produce ARN a partir de una cadena de ADN molde mediante la ARN polimerasa. Los promotores son secuencias que participan en el reconocimiento del inicio de la transcripción. La selección de promotores y la actividad de factores reguladores permiten adaptar la expresión a las necesidades celulares.
El ARN mensajero contiene codones que son leídos por los ribosomas. Los ARN de transferencia aportan aminoácidos y presentan anticodones que reconocen los codones correspondientes. Codón y anticodón pertenecen a moléculas distintas y su complementariedad son fundamentales para la síntesis proteica.
En las bacterias, la ausencia de una envoltura nuclear permite que transcripción y traducción se acoplen espacial y temporalmente. Un mismo ARN mensajero puede contener información para varias proteínas, formando un mensaje policistrónico. Esta organización facilita la coordinación de funciones, pero no significa que todos los genes se expresen siempre juntos.
5.4.2. Operones y control de transcripción
Un operón es una unidad de transcripción que puede reunir varios genes bajo regiones reguladoras compartidas. El operador es una región del ADN dentro del operón donde se unen las proteínas reguladoras para iniciar o detener la transcripción.
La regulación negativa reduce la expresión mediante un represor y la positiva la favorece mediante un activador. Un inductor o un correpresor puede modificar la actividad del regulador (represor o activador).
Un ejemplo es el operón de utilización de lactosa (operón lac) en Escherichia coli. Es un modelo de sistema inducible:
- En ausencia de la señal apropiada, el represor limita la transcripción.
- La unión de un inductor a ese represor favorece su liberación del operador, lo que inicia la transcripción de enzimas como la lactasa.
- En el sistema clásico, la alolactosa constituye la señal fisiológica inductora.
- La disponibilidad de otras fuentes de carbono también interviene, por lo que la presencia de lactosa no explica por sí sola toda la regulación.
- De este modo, en presencia de lactosa, se activan genes que codifican:
- Beta-galactosidasa, enzima que rompe la lactosa en glucosa y galactosa.
- Permeasa, proteína que ayuda a que la lactosa entre a la célula.
- Transacetilasa, enzima que cumple un papel auxiliar en el metabolismo bacteriano.
Otro ejemplo es el operón de biosíntesis de triptófano. En este caso, se trata de un sistema represible.
- Cuando hay triptófano suficiente, actúa como correpresor y favorece una forma del regulador capaz de inhibir transcripción de genes orientados a sintetizar triptófano.
- La regulación evita invertir recursos en producir un compuesto que ya está disponible.
- El sistema presenta además mecanismos como la atenuación, que no deben confundirse con la unión del represor al operador.
El operador no produce un represor y el promotor no fabrica enzimas. Ambos son regiones de ADN. Los reguladores y los productos metabólicos actúan sobre la expresión mediante interacciones específicas; el producto de un gen es ARN o proteína, no una región reguladora del ADN.
5.4.3. Regulación y fenotipo
Los operones lac y trp muestran cómo una bacteria modifica su funcionamiento según los nutrientes disponibles: puede aumentar la producción de proteínas necesarias para utilizar un sustrato o reducir la de enzimas que sintetizan un compuesto ya disponible. Estos ajustes modifican su fenotipo, es decir, sus características observables y funcionales, entre ellas la capacidad de utilizar determinados nutrientes o la composición de su superficie.
El control de la transcripción es uno de los niveles de esa regulación. La cantidad de una proteína también depende de la estabilidad del ARN mensajero, de su traducción y de la degradación de la propia proteína. Además, su actividad puede modificarse sin que cambie su cantidad. La bacteria dispone, por tanto, de varios mecanismos para ajustar su respuesta al entorno, pero un cambio de funcionamiento no implica necesariamente una modificación de la secuencia del ADN.
En algunos casos, el cambio afecta a la presencia o ausencia de un componente y no solo a su cantidad. La variación de fase permite alternar de forma reversible entre estados de expresión, por ejemplo, entre producir o no una determinada estructura superficial. Según el sistema, esta alternancia puede depender de cambios reversibles en el ADN o de mecanismos epigenéticos que modifican la expresión sin alterar su secuencia.
La variación antigénica, en cambio, consiste en modificar las características de un componente reconocidas por el sistema inmunitario. La variación de fase puede cambiar si un componente se expresa o no (p. ej. una enzima), pero en la antigénica cambia la variante antigénica que presenta la bacteria. Ambos fenómenos pueden relacionarse, pero no deben confundirse con cualquier ajuste de expresión como los descritos para los operones metabólicos.
5.5. Mutación, recombinación y selección
5.5.1. Mutaciones y efectos
Una mutación es un cambio heredable en la secuencia del ADN. Puede consistir en sustituciones, inserciones, deleciones o reorganizaciones de segmentos. Su efecto depende de la localización y de cómo modifica el producto o la regulación. Una sustitución puede no cambiar un aminoácido, cambiarlo o generar una terminación prematura; una inserción o deleción puede alterar el marco de lectura si afecta a una región codificadora de la forma correspondiente.
Las mutaciones pueden ser neutras, perjudiciales o ventajosas en un contexto determinado. Una modificación que mejora supervivencia frente a un antibacteriano puede tener un coste en otro entorno. Ese coste no es universal ni garantiza una reducción de virulencia puesto que pueden existir compensaciones y asociaciones genéticas que modifican el resultado.
La recombinación reorganiza información mediante intercambio o incorporación de segmentos de ADN. En la recombinación homóloga intervienen regiones de semejanza de secuencia. Otros procesos, como la recombinación específica de sitio, dependen de sistemas que reconocen sitios particulares. Mutación y recombinación son fuentes diferentes de variación genética.
5.5.2. Selección y expansión clonal
La selección modifica la frecuencia de variantes según su reproducción y supervivencia relativas. Un antibacteriano puede favorecer que variantes resistentes ya presentes o adquiridas aumenten su proporción.
El tamaño de la población, la tasa de aparición de variantes, los intercambios genéticos y las condiciones del entorno influyen en la probabilidad de que una variante se establezca y prospere en un medio. La expansión clonal transmite un linaje resistente por multiplicación; la dispersión de un elemento móvil puede distribuir un determinante entre linajes distintos. Estos dos niveles pueden coexistir en un mismo problema epidemiológico.
Encontrar un mismo mecanismo de resistencia en varias especies no demuestra transmisión de una sola bacteria. Puede reflejar circulación de un elemento genético. Encontrar una especie resistente en varios pacientes tampoco demuestra, sin comparar las cepas, que procedan del mismo clon.
5.6. Transferencia horizontal
5.6.1. Transformación
La transformación consiste en la incorporación de ADN extracelular por una célula competente. La competencia es una capacidad regulada y no una propiedad idéntica de todas las bacterias. Para que el material incorporado tenga un efecto heredable debe mantenerse o integrarse de forma compatible con la célula receptora.
El fenómeno permitió demostrar históricamente que una propiedad podía transmitirse mediante material genético entre poblaciones bacterianas. Su importancia conceptual reside en distinguir adquisición de ADN de reproducción. La transformación no necesita contacto directo entre dos células vivas y no exige un bacteriófago como vehículo.
5.6.2. Transducción
La transducción es transferencia de ADN bacteriano mediada por bacteriófagos. En la transducción generalizada pueden transferirse distintos fragmentos del genoma donador; en la especializada, el material transferido se relaciona con determinadas regiones próximas a la localización de un profago. Estas diferencias derivan de la interacción del fago con el ADN bacteriano.
La conversión lisogénica describe la adquisición de un fenotipo asociado a genes de un fago mantenido en la bacteria. No equivale a toda transducción. La presencia de un profago puede modificar propiedades de una cepa, pero no todos los fagos se integran ni toda infección por fago produce el mismo resultado en la bacteria receptora.
5.6.3. Conjugación
La conjugación requiere contacto entre células y sistemas que permiten transferir material genético. Determinados plásmidos llevan funciones conjugativas; otros pueden movilizarse con ayuda de sistemas compatibles. Sin embargo, la existencia de un plásmido no demuestra que sea conjugativo ni que pueda pasar a cualquier especie.
En el modelo clásico del factor F, una célula F⁺ porta el elemento de forma plasmídica. Una célula Hfr presenta ese factor integrado en el cromosoma y puede transferir material cromosómico con alta frecuencia de recombinación. F⁺ y Hfr no son denominaciones equivalentes. La transferencia genética modifica información de las células participantes, sin aumentar por sí sola su número.
(1) Transformación: ADN extracelular y célula competente.
(2) Transducción: bacteriófago como vehículo.
(3) Conjugación: contacto celular y sistema de transferencia.
La diferencia útil es el mecanismo de acceso del ADN, no una asociación fija de cada proceso con un único gen de resistencia.
5.7. Elementos móviles y organización del genoma accesorio
La transferencia horizontal permite que una bacteria reciba información genética de otra, pero el destino de ese ADN depende de cómo se mantenga y se integre en la célula receptora. Parte de esa información constituye el genoma accesorio, formado por genes que varían entre cepas de una misma especie y que pueden aportar capacidades metabólicas, resistencia a antibacterianos o funciones relacionadas con la patogenicidad. Los elementos móviles contribuyen a reorganizar esa información dentro del cromosoma y de los plásmidos.
Entre los elementos más sencillos se encuentran las secuencias de inserción, que contienen principalmente la información necesaria para su transposición, es decir, para cambiar de posición en el ADN. Su inserción puede interrumpir un gen o modificar la actividad de una región reguladora y, con ello, alterar el fenotipo bacteriano. Este desplazamiento ocurre entre localizaciones genéticas. Por sí solo, no implica que el elemento pueda pasar de una bacteria a otra.
Los transposones también pueden cambiar de localización, pero algunos transportan, además, genes con otras funciones, como determinantes de resistencia. Así, la transposición puede modificar tanto la posición de un gen como su asociación con otros elementos. Algunos transposones, denominados compuestos, presentan secuencias de inserción en sus extremos; otros poseen una organización diferente. Si un transposón pasa a formar parte de un plásmido transferible, sus genes pueden desplazarse entre células junto con ese plásmido.
La incorporación de información también puede producirse mediante sistemas especializados de recombinación. Los integrones permiten capturar determinados casetes génicos y favorecer su expresión. Un casete es una pequeña unidad de ADN que suele contener un gen y una región reconocida por el sistema de recombinación del integrón. Este organiza los casetes incorporados, pero no posee necesariamente capacidad propia para desplazarse entre localizaciones o entre células. Su difusión depende con frecuencia de su asociación con transposones y plásmidos.
A una escala mayor, el ADN adquirido puede constituir islas genómicas, regiones que reúnen varios genes y que reflejan la incorporación de información al genoma. Su contenido es diverso: algunas aportan funciones metabólicas o de adaptación al entorno, mientras que las islas de patogenicidad contienen genes relacionados con la capacidad de producir enfermedad. La expresión y el efecto de esos genes dependen de su integración en el funcionamiento de la bacteria.
Todos estos elementos pueden encontrarse unos dentro de otros.
Un plásmido puede contener un transposón y este, a su vez, un integrón con casetes génicos. Cada nivel aporta una propiedad diferente:
(a) El plásmido permite mantener el ADN mediante replicación.
(b) El transposón puede cambiar su localización.
(c) El integrón captura y organiza casetes.
Su asociación ayuda a comprender cómo una bacteria adquiere, conserva y reorganiza nuevas funciones.
