Las bacterias nos rodean por todas partes, aunque no seamos capaces de verlas. Se estima que las bacterias aportan el 15% de la biomasa terrestre total (70 gigatoneladas), solamente superadas por las plantas. Para conocer la importancia de las bacterias en el mundo, es necesario investigar su modo de vida, y qué menos que describir su reproducción para averiguar cómo se mantienen estables las colonias bacterianas a lo largo del tiempo.
Existen bacterias beneficiosas que tienen un papel clave en nuestra salud, y otras que viven en el ambiente sin ser patógenas. Las bacterias pertenecen al superreino de las procariotas y presentan cuatro formas tipo: esféricas u ovaladas, cilíndricas o de bastones y en espiral. Son estructuras celulares simples, sin núcleo, por lo que su material genético se encuentra en su citoplasma y sin orgánulos intracelulares complejos (al contrario de, por ejemplo, una célula humana).
Las bacterias están formadas por células con una complejidad menor a las de animales, plantas u hongos. Existe una gran diversidad de bacterias, no solo en cuanto a su forma, sino también en los ambientes en los que se desarrollan y los nutrientes de los que se alimentan. Comprender su forma de reproducirse es el paso previo para entender cómo podemos combatirlas cuando intentan colonizarnos.
Reproducción Asexual: La Fisión Binaria
Definición y Características
La fisión binaria, también conocida como bipartición, es el mecanismo de reproducción habitual en las bacterias. Es un tipo de reproducción asexual que se lleva a cabo en bacterias y arqueas, es decir, organismos microscópicos procariotas. Mediante este mecanismo se obtienen dos células hijas, con idéntica información en el ADN circular, entre sí y respecto a la célula madre, y de contenido citoplásmico celular similar. Las células hijas son clones de la progenitora.
La mayoría de bacterias se reproducen por fisión binaria, ya que este mecanismo provoca un aumento exponencial de ejemplares en una colonia. Donde antes había un microorganismo pasan a haber dos, luego cuatro, luego ocho, luego 16, 32, 64, 128, etc. Para que te hagas una idea, la bacteria E. coli en condiciones óptimas se puede dividir por fisión una vez cada 20 minutos.
Comparación con la Mitosis
La premisa de la fisión binaria es básicamente la misma que la de la mitosis en organismos pluricelulares. Nuestras células somáticas (de los tejidos) se dividen por este mecanismo, es decir, la división de una célula parental en dos hijas con la misma forma, tamaño e información genética. Sin embargo, es esencial destacar que la mitosis es única en organismos con más de una célula. Este mecanismo de división celular tiene como finalidad aumentar o reemplazar las células de un tejido y, por tanto, se utiliza para el crecimiento, desarrollo y reparación de los órganos que nos componen.
Por esta razón, la fisión binaria es un tipo de reproducción asexual que solo se concibe en organismos procariotas, es decir, aquellos que solo están compuestos por una célula (bacterias y arqueas, en este caso). Si se observase en un organismo pluricelular, estaríamos ante un caso de mitosis.
Fases de la Fisión Binaria
A continuación, se presentan de forma somera cada una de las etapas en las que se divide la fisión binaria. Muchos de los mecanismos aquí recogidos son similares a los de la mitosis.
1. Replicación del ADN
Para que una bacteria pueda dividirse en dos iguales, debe ser capaz de autorreplicar su información genética. El cromosoma bacteriano es de forma inherente un replicón, ya que este término hace referencia a una unidad de información genética que contiene todos los elementos necesarios para llevar a cabo el proceso de replicación.
2. Segregación Cromosómica
En la mitosis normal, los cromosomas se colocan en el ecuador de la célula de forma aleatoria, esperando a ser “tirados” por el huso mitótico a cada polo extremo del cuerpo celular. En el caso de la fisión binaria bacteriana, la situación es más simple, pues solo se tienen dos cromosomas producto de la replicación de uno. El ADN bacteriano se une a un mesosoma, que separa el citoplasma en dos y reparte cada copia del ADN duplicado a cada lado.
3. Formación del Septo y División Celular
A medida que cada cromosoma viaja a un polo, la membrana de la bacteria se va invaginando hasta formar un septo, también conocido como pared de división, dentro de la célula. Al final del proceso el mesosoma se ha unido al resto de la membrana plasmática y se han formado dos células hijas genéticamente iguales. Es necesario destacar que existen varios tipos de fisión binaria dependiendo del plano de división (regular, ameboide, transversa, oblicua, etc.), aunque no nos centramos en la terminología técnica específica.
Crecimiento Exponencial y Adaptabilidad
La clave de la fisión binaria bacteriana se puede englobar en un solo concepto: liberación logarítmica. Este término hace referencia a la segunda fase del crecimiento bacteriano, tras la habituación de los microorganismos al nuevo medio en el que son introducidos. Cabe destacar que la pendiente de la función logarítmica depende de las condiciones del medio, pues no es lo mismo crecer en un lugar caliente y recogido que hacerlo en el polo norte.
Este es un claro ejemplo de una estrategia de “cantidad por encima de calidad”. Por este sistema de reproducción se podría originar una colonia de células con material idéntico; sin embargo, esto no ocurre debido al alto índice de mutaciones que se producen en las bacterias. Todas las bacterias son genéticamente iguales a la progenitora (pues la fisión binaria es un tipo de reproducción asexual), pero no siempre se asegura que una generación bacteriana vaya a ser igual a la anterior, algo tremendamente beneficioso para la capacidad adaptativa de estos microorganismos. Así pues, cuanto más rápido se divida una población bacteriana, más posible es que aparezca una mutación que permita una mejor adaptación al medio.
Reproducción Parasexual: Intercambio Genético Bacteriano
Además de la reproducción asexual, la célula bacteriana puede intercambiar información genética por procesos de recombinación, conocidos como reproducción parasexual. Estos mecanismos permiten una gran variabilidad genética y adaptabilidad.
Transformación
La transformación ocurre cuando fragmentos de ADN que pertenecían a células rotas se introducen en células normales. El ADN fragmentado recombina con el ADN de la célula receptora, provocando cambios en la información genética de esta.
Transducción
En la transducción, cuando una célula es atacada por un virus bacteriófago, la bacteria genera nuevas copias del ADN vírico. En la fase de ensamblaje, se pueden introducir fragmentos de ADN bacteriano en la cápsida del virus. Los nuevos virus ensamblados infectarán nuevas células. Mediante este mecanismo, una célula podrá recibir ADN de otra bacteria e incorporar nueva información.
Conjugación Bacteriana
La conjugación es un proceso de transferencia de material genético entre una célula procariota donadora y una receptora mediante el contacto directo o una conexión que las une. Es uno de los mecanismos más estudiados para el intercambio genético en bacterias.
El Factor F y la Formación de Cepas F+ y Hfr
El sistema conjugativo más estudiado es el del factor de fertilidad F (o plásmido F) de Escherichia coli. El factor F es un plásmido conjugativo que puede residir de forma autónoma en el citoplasma, independiente del cromosoma principal de la bacteria. Este plásmido, de aproximadamente 100 kilobases, lleva alrededor de 60 genes, muchos de los cuales son genes tra dedicados a la conjugación.
Entre los genes tra se encuentran los necesarios para la biosíntesis y ensamblaje de los pelos sexuales (o pili sexuales). Estos pelos sexuales de tipo F están formados por la proteína pilina F y son esenciales para establecer el contacto directo entre las células donadoras y receptoras. Una célula que posee el plásmido F se denomina F+ (donadora), mientras que una célula que no lo posee es F- (receptora).
En ocasiones, el plásmido F puede integrarse en el cromosoma bacteriano de la célula donadora. Cuando esto sucede, la célula se convierte en una cepa Hfr (Alta Frecuencia de Recombinación). La conjugación entre una cepa Hfr y una F- permite la transferencia de marcadores cromosómicos, además de los genes del plásmido.
Detalles del Proceso de Conjugación
El proceso de conjugación comienza con el contacto entre una célula F+ y una F- a través de los pelos sexuales. Luego, se establece un canal de conjugación o contacto pared-pared. En la célula donadora F+, el complejo de relajosoma se une al origen de transferencia (oriT) del plásmido F. Una endonucleasa, como la TraI, corta una de las cadenas de ADN del plásmido F en este punto.
La cadena cortada se transfiere progresivamente a la célula receptora. A medida que la cadena simple de ADN entra en la célula receptora, sirve de molde para sintetizar una cadena complementaria, restaurando así el plásmido completo y circular. Simultáneamente, la cadena complementaria en la célula donadora va sirviendo para sintetizar una nueva cadena para reponer la que se transfirió. De esta forma, ambas células terminan con una copia completa del plásmido F. La conversión de una célula F- a F+ es un proceso muy eficiente.
Conjugación bacteriana
Plásmidos F'
Un tipo especial de plásmidos son los plásmidos F' (F-primas). Estos se forman cuando el factor F, que previamente se había integrado en el cromosoma bacteriano (formando una cepa Hfr), se escinde del genóforo donador de forma imprecisa. Durante esta escisión, el factor F puede "secuestrar" un fragmento adyacente del cromosoma bacteriano. Como resultado, un plásmido F' contiene no solo los genes del factor F sino también genes cromosómicos específicos.
Estos plásmidos F' pueden transferirse de una célula a otra mediante conjugación, llevando consigo los genes cromosómicos secuestrados a la célula receptora. Esto permite la transferencia de información genética cromosómica entre bacterias, incluso a células que carecen del plásmido F' o de los genes cromosómicos originales.
Plásmidos: Elementos Clave en la Variabilidad Genética
Los plásmidos son elementos genéticos extracromosómicos que se replican de forma autónoma e independiente del cromosoma bacteriano principal. Existe una amplia variedad de plásmidos, clasificándose a menudo por su capacidad de conjugación, su tamaño o su grupo de incompatibilidad.
Tipos de Plásmidos
- Plásmidos conjugativos: Suelen ser de tamaño mediano (unas 30 kb) a grandes (cientos de kb) y poseen los genes necesarios para su propia transferencia a otras células (los genes tra). El factor F es el ejemplo más conocido.
- Plásmidos no conjugativos: Suelen ser plásmidos pequeños (menos de 10 kb) y carecen de los genes necesarios para la conjugación autónoma. Sin embargo, pueden ser movilizados y transferidos si la célula donadora posee otro plásmido conjugativo que pueda "ayudarlos".
Plásmidos de Resistencia (R)
Los plásmidos de resistencia (R) confieren a las bacterias que los poseen resistencia a uno o varios quimioterápicos (antibióticos). Estos plásmidos se propagan con mucha facilidad entre las bacterias, especialmente en ambientes hospitalarios, donde la presión selectiva de los antibióticos es grande. Por ejemplo, se ha observado cómo en pocos años se diseminaron rápidamente por todo el primer mundo. Los determinantes "r" de estos plásmidos están compuestos de "módulos", algunos de los cuales son transposones, elementos genéticos móviles. Un ejemplo es el transposón Tn3, que lleva el gen de resistencia a ampicilina (Ampr).
Este fenómeno explica cómo, cuando se trata a un paciente con tetraciclina, al cabo de una semana las cepas de E. coli que porta pueden llegar a ser resistentes a diversos quimioterápicos, gracias a la transferencia horizontal de estos plásmidos.
Conjugación en Gram-positivas y Otros Casos Notables
Los sistemas conjugativos en bacterias Gram-positivas, como los de los cocos en cadenas (géneros Streptococcus y Enterococcus), son bastante diferentes de los estudiados en Gram-negativas. Algunos de estos plásmidos son especialmente eficientes en líquidos, como ocurre con ciertos plásmidos de Enterococcus faecalis.
Además de la transferencia entre bacterias de la misma especie, se ha observado transferencia entre bacterias de diferentes especies. Un ejemplo notable son los plásmidos Ti de Agrobacterium tumefaciens. Esta bacteria parasita una amplia diversidad de plantas dicotiledóneas, provocando la formación de tumores llamados “agallas de la corona”. Un plásmido Ti integrado en la bacteria transfiere una porción de su ADN, denominado ADN-T, al genoma de la planta. El ADN-T se integra en el genoma de la planta, y los genes que lleva son transcritos y traducidos por la maquinaria de la planta. El ADN-T promueve la síntesis de hormonas vegetales y de opinas, que son aminoácidos modificados que la bacteria usa como fuente de carbono y energía. Este es un ejemplo de un sistema natural de Ingeniería Genética de plantas.
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