Study limitations

la variabilidad y la herencia de las caracterís­ ticas de un organismo, sea este eucariótico o procariótico. Las investigaciones sobre genética bacteriana han sido las contribuciones más alen­ tadoras aportadas a la biología, al final del siglo xx y lo que va de este, debido a que las leyes de la herencia se cumplen para todos los seres vivos de igual forma. Antes de estos adelantos, el único camino que existía para hacer análisis genéticos eran los experimentos en los que se utilizaban apareamiento de animales o plantas superiores. Actualmente, los experimentos del siglo pasado, han cedido el paso a las inves­ tigaciones genéticas con bacterias, debido a que aquellos experimentos tienen limitaciones insalvables como: la lentitud de la reproducción y el escaso número de individuos que resultan de cada apareamiento.

Al establecer la similitud entre los sistemas genéticos de las bacterias y los de las formas superiores de vida se llegó al uso experimental de las bacterias, en particular, la bacteria Escheri- chia coli, para dilucidar los principios fundamen­ tales de la genética. Además, las bacterias poseen varios sistemas exclusivos de recombinación genética, que se tratarán más adelante.

Por recombinación genética se entiende que las células descendientes pueden surgir con combinacio­ nes de genes diferentes de los de sus antecesores.

Los microorganismos y en especial las bacterias se multiplican con gran rapidez; E. coli, en su etapa logarítmica de desarrollo, se duplica a intervalos aproximados de 20 min, lo cual resulta excelente porque se tiene una nueva

generación, con millones de individuos, cada veinte minutos. Esto quiere decir, que después de 24 horas de incubación se obtendría una po­ blación compuesta por más de 2.000.000.000 de individuos por mililitro.

Ácido desoxirribonucleico (ADN)

El ácido desoxirribonucleico o ADN, es la sus­ tancia química responsable de la transmisión de la información hereditaria. El ADN es el constituyente del cromosoma de las células bacterianas. En su estructura se codifica la in­ formación para la síntesis de todas las proteínas celulares. Discretos segmentos del ADN, o del cromosoma, son los denominados genes, que codifican cada una de las proteínas. Esta infor­ mación se transmite de célula a célula por causa de la replicación del ADN.

El ADN es una molécula larga, parecida a una cuerda, compuesta usualmente por dos filamen­ tos, cada uno de ellos enroscado en tomo al otro formando una doble hélice. Cada filamento de la hélice de ADN está formado por nucleótidos unidos entre sí para formar una cadena que se llama polinucleótido. Cada nucleótido consta de tres partes:

1. Una base nitrogenada, puede ser una: Purina: adenina o guanina (A - G), o bien Pirimidina: citocina o timina (C - T), en el ADN y citocina o uracilo (C - U), en el ARN (véase figura 4.1).

2. Un azúcar con cinco carbonos (pentosa) llamado desoxirribosa.

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Estas tres partes están unidas entre sí en el siguiente orden: base nitrogenada-desoxirribosa- fosfato véase figura 4.2.

Ácido ribonucleico

Este ácido o ARN también está presente en la célula bacteriana, es semejante, pero no es igual, al ADN y actúa transmitiendo la información co­ dificada en el ADN para la síntesis de proteínas, por medio de la transcripción y la traducción del código genético.

Herencia de las características y la variabilidad

Una característica de todas las formas de vida, desde el punto de vista de la genética, está dada por la estabilidad general o “semejanza" que se

produce entre las características de los padres y su descendencia. Es fácil observar, por ejemplo, en nuestra propia especie, que algunas familias tienen regularmente cabellos negros, ojos oscu­ ros, mientras que otras tienen cabellos rubios y ojos azules. De la misma manera, y a pesar de sus pequeñas dimensiones, las bacterias y otras célu­ las inferiores también transmiten características a su descendencia. El hecho mismo de poder identificar especies e incluso cepas bacterianas implica que estas son capaces de transmitir, con mucha precisión, la información genética de ge­ neración en generación. Sin embargo, además de la herencia de características, la cual explica la constancia que muestran las especies biológicas, existe una variabilidad o cambio, que se expresa en la descendencia. Estos cambios están asocia­ dos a dos propiedades fundamentales de la célula o del organismo: el genotipo y el fenotipo.

Genética bacteriana / 99

1. Genotipo. Se refiere a la constitución ge­ nética precisa de una célula bacteriana o de un organismo superior.

2. Fenotipo. Es la expresión del genotipo, es decir, las características observables de una célula bacteriana o de un organismo superior.

Las bacterias pueden experimentar cambios en cualquiera de las dos propiedades y ocurren fenómenos llamados variaciones o modificacio­

nes genotípicas ofenotípicas, según la propiedad que se vea afectada.

Variaciones fenotípicas o temporales (adaptaciones)

Son modificaciones del fenotipo bacteriano, de­ bidas, generalmente, a cambios ambientales, en los cuales no se ve afectado el genoma, sobre el

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cual no hay repercusión alguna, o sea, que no se transmiten hereditariamente. Una característica destacada de este tipo de cambio fenotípico es que implica a la mayoría de las bacterias que están en el cultivo (prácticamente a toda la po­ blación bacteriana sometida a la modificación ambiental). Cuando se restablecen las condicio­ nes originales del cultivo, se produce un retorno al fenotipo inicial. Las variaciones fenotípicas pueden ser de distintos tipos:

1. Morfológicas. Se producen cambios de forma, tamaño, la pérdida de la cápsula, de los flagelos, del esporo, o de tinción como sucede con las bacterias Gram variables (se refiere a aquellas bacterias que cuando se realiza la coloración partiendo de un cultivo joven, su res­ puesta a la coloración de Gram es positiva; pero cuando se realiza la misma tinción y el cultivo ya está envejecido, su respuesta es negativa). Estos cambios se presentan cuando se modifica el pH, la temperatura, la presión osmótica o el contenido nutricional del medio, entre otros (véase figura 4.3).

2. Cromógenas. Algunas bacterias tienen la capacidad de producir pigmentos, que le imparten un color característico a sus colonias.

Estos pigmentos pueden desaparecer temporal­ mente al modificar las condiciones ambientales y recuperarse cuando las condiciones originales regresan. Ejemplo: la bacteria Serratia marces- cens, produce colonias con un pigmento rojo ladrillo cuando se cultiva en agar nutritivo, a temperatura ambiente y en la oscuridad. Cuan­ do la temperatura se suministra por medios artificiales, como sucede en una incubadora, el pigmento de las colonias se pierde, pero se recupera cuando se cultiva nuevamente en las condiciones iniciales.

3. Enzimáticas. El ejemplo más contundente de este tipo de variaciones lo tenemos con las enzimas inductivas, es decir, las bacterias sólo producen estas enzimas si el medio en el cual se desarrollan induce su producción. Ejemplo: E. coli no produce la enzima p-galactosidasa, si en el medio de cultivo hay ausencia de lactosa, pero si el medio es enriquecido con este azúcar la bacteria produce normalmente esa enzima. Lo mismo sucede con la enzima penicilinasa que solamente se produce cuando en el medio está presente la penicilina.

4. De tinción. Esta variación se observa muy bien en las bacterias denominadas Gram varia-

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bles: las bacterias Gram positivas de un cultivo viejo pierden la capacidad de retener el colorante primario durante la decoloración con alcohol acetona en la coloración de Gram. Capacidad que se recupera cuando se repica el cultivo, es decir, cuando se vuelve a sembrar y se obtiene una población bacteriana joven.

Variaciones genotípicas o permanentes

El genotipo de una célula bacteriana está deter­ minado por la información genética contenida en su cromosoma. El cromosoma se divide en genes.

Un gen es la unidad funcional de la herencia. Cada gen consta de cientos de pares de nucleóti- dos. Cualquier gen tiene la posibilidad de mutar o de cambiar a una forma diferente y de esta manera propiciar la formación de una proteína alterada o nueva, que a su vez puede dañar las características de la célula, produciéndole a veces la muerte. Por ejemplo, la sustitución de un solo aminoácido, de los muchos que se encuentran en la cadena polipeptídica, puede hacer que la proteína no sea funcional. Este fenómeno se conoce como mutación que no es más que el cambio en la secuencia de nucleótidos de un gen que se transmite en forma hereditaria. Esto da origen a un nuevo rasgo genético, o a un fenotipo cambiado. Una bacteria o un organis­ mo que muestra los efectos de una mutación se considera muíante.

Las mutaciones son acontecimientos raros que se producen al azar y surgen espontánea­ mente, sin tener en cuenta los requerimientos del ambiente. Las mutaciones bacterianas pueden ocurrir a un ritmo de solo una mutación por cada 1.000.000 de células, o bien, con una tasa de una mutación por cada 10.000.000.000 de células bacterianas. Este tipo de mutaciones se conoce como mutaciones espontáneas y pueden surgir como consecuencia de la acción de la radiación natural (como los rayos cósmicos), que alteran la estructura de las bases del ADN. Este tipo de mutaciones pueden presentarse durante la repli- cación del ADN, como resultado de errores en el

apareamiento de las bases que origina cambios en el ADN replicado (véase figura 4.4).

Generalmente, los mutantes que hay en una población de células bacterianas están enmasca­ rados por el número mayor de células sin mutar. Tratar de aislar una célula mutante es algo así como el coloquial dicho “tratar de buscar una aguja en un pajar”. Sin embargo, la microbio­ logía genética ha desarrollado técnicas que fa­ cilitan el aislamiento de unos cuantos mutantes a partir de una gran población de bacterias no mutadas, a las que se les conoce con el nombre de cepa silvestre o protótrofa, es decir, que esta es la cepa progenitora que crece en un medio nutritivo completo, como el agar nutritivo. El aislamiento puede hacerse de varias formas; en una de ellas se incorpora un antibiótico al medio de cultivo, para seleccionar los mutantes resistentes a ese antibiótico, que crecen en el medio de cultivo.

De cualquier forma, la cepa mutante es más exigente en los requerimientos nutricionales que la cepa progenitora y, por consiguiente, requiere de medios de cultivo más específicos, a esta población bacteriana se le llama cepa auxótrofa.

Una de las técnicas más utilizada para selec­ cionar una cepa mutante nutricional, se conoce como réplica en placa. La figura 4.5 ilustra un método experimental con el cual se lleva a cabo esta técnica.

Como se anotó antes, las mutaciones espontá­ neas ocurren en condiciones normales de cultivo y existen varias situaciones en las cuales pueden ocurrir cambios en la secuencia de bases purina- pirimidina del ADN. Estos cambios pueden suceder de la siguiente manera:

1. Sustitución. Se sustituye un nucleótido por otro. Este caso se puede presentar de dos formas:

a. Sustitución por transición. Se presenta cuando se cambia una base purina (púrica) por otra purina o una pirimidina (pirimidínica) por otra pirimidina.

b. Sustitución p o r transversión. Ocurre cuando se sustituye una base púrica por una pirimidínica o viceversa.

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2. Inserción o adición. Cuando se adicionan uno o varios nucleótidos adicionales a los ya existentes.

3. Deleción, supresión o pérdida. Se presenta cuando se pierden uno o más nucleótidos.

A continuación se observa una representa­ ción esquemática que muestra, en una forma muy aproximada, lo que ocurre en el genoma bacteriano cuando se producen cambios en las bases del ADN, ocasionados por mutaciones. En el ejemplo, se toma un segmento de ADN normal donde se observa la secuencia de bases

en tres codones y sus respectivos aminoácidos, los cuales van a ser alterados por causa de ciertas mutaciones espontáneas (véase figura 4.6).

Las mutaciones pueden ser catalogadas como mutaciones inducidas, cuando se aplica a una población bacteriana algún tipo de agente inductor de mutaciones, conocido como agente mutágeno o sustancia mutagénica.

Algunos de estos agentes mutágenos son:

1) agentes alquilantes, es decir, que introducen radicales metilo; 2) las acridinas, son sustan­ cias que actúan como agentes intercalantes, es