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12: Aplicaciones modernas de la genética microbiana - Biología

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12: Aplicaciones modernas de la genética microbiana

Capítulo 8: Aplicaciones modernas de la genética microbiana

Figura 8.1 Se utiliza un termociclador (izquierda) durante una reacción en cadena de la polimerasa (PCR). La PCR amplifica el número de copias de ADN y puede ayudar en el diagnóstico de infecciones causadas por microbios que son difíciles de cultivar, como Chlamydia trachomatis (Derecha). C. trachomatis causa clamidia, la enfermedad de transmisión sexual más común en los Estados Unidos, y tracoma, la principal causa mundial de ceguera prevenible. (derecho de crédito: modificación del trabajo de los Centros para el Control y la Prevención de Enfermedades)
Bosquejo del capítulo

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Genética microbiana moderna, segunda edición

El texto se divide en tres secciones: metabolismo del ADN, respuesta genética e intercambio genético. El primero aborda cómo el ADN se replica, se repara y se recombina, así como cómo se puede manipular. La segunda sección está dedicada a cómo los microorganismos interactúan con su entorno, incluidos los capítulos sobre esporulación y choque de estrés, y la sección final contiene la información más reciente sobre los mecanismos de intercambio clásicos como la transformación y la conjugación.

  • Expresión genética y su regulación
  • Fagos de ADN monocatenario
  • Herramientas genéticas para diseccionar la motilidad y el desarrollo de Myxococcus xanthus
  • Mecanismo molecular de la detección de quórum
  • Transducción en bacterias gramnegativas
  • Enfoques genéticos en bacterias sin sistemas genéticos naturales

Los editores también prestan atención a los sistemas reguladores globales a lo largo del libro, aclarando cómo ciertos genes y operones en bacterias, definidos como regulones, se interconectan y cooperan para satisfacer las necesidades de la célula bacteriana. Con una clara apreciación del impacto de la genómica molecular, esta edición completamente revisada y actualizada demuestra que Genética microbiana moderna sigue siendo el texto de referencia en su campo.


Práctica de la patología toxicológica

Abstracto

Numerosos factores genéticos, microbianos, ambientales y experimentales trabajan juntos para influir en el desarrollo de las lesiones estudiadas por el patólogo toxicológico. El patólogo debe comprender cómo los factores asociados con el animal de laboratorio, el programa de uso y cuidado de los animales, el entorno de la instalación de investigación y las condiciones del estudio contribuyen a los hallazgos del estudio para que los resultados de los experimentos de toxicidad puedan evaluarse adecuadamente. Los cambios que se están produciendo en las prácticas de uso y cuidado de los animales de laboratorio se deben en parte a los avances recientes en las preocupaciones por el bienestar animal. Es probable que los estándares futuros para el cuidado y uso de animales difieran de los que se emplean en la actualidad. A medida que se realicen avances, se pondrá mayor énfasis en la comprensión de los fundamentos mecanicistas de la interacción entre los factores de susceptibilidad del huésped, la exposición a sustancias tóxicas y el medio ambiente.


Genética microbiana

La genética microbiana es una rama de la genética que se ocupa de la transmisión de caracteres hereditarios en microorganismos . Dentro de la definición habitual, los microorganismos incluyen procariotas como bacterias , unicelular o micelial eucariotas por ejemplo, levaduras y otros hongos , y virus , principalmente virus bacterianos (bacteriófagos). La genética microbiana ha desempeñado un papel único en el desarrollo de los campos de la biología molecular y celular y también ha encontrado aplicaciones en la medicina, la agricultura y las industrias alimentaria y farmacéutica.

Debido a su relativa simplicidad, los microbios son ideales para estudios bioquímicos y genéticos combinados, y han tenido éxito en proporcionar información sobre la codigo genetico y la regulación de gene actividad. los operón modelo formulado por biólogos franceses Fran & # xE7 ois Jacob (1920 & # x2013) y Jacques Monod (1910 & # x2013 1976) en 1961, es un ejemplo bien conocido. Basado en estudios sobre la inducción de enzimas del catabolismo de la lactosa en la bacteria Escherichia coli, el operón ha sentado las bases para estudios sobre expresión y regulación génica, incluso hasta el día de hoy. Las múltiples aplicaciones de la genética microbiana en la medicina y la industria farmacéutica surgen del hecho de que los microbios son tanto causantes de enfermedades como productores de enfermedades. antibioticos . Se han utilizado estudios genéticos para comprender la variación en microbios patógenos y también para aumentar el rendimiento de antibióticos de otros microbios.

Los procesos hereditarios en los microorganismos son análogos a los de los organismos multicelulares. Tanto en microbios procarióticos como eucarióticos, el material genético es ADN las únicas excepciones conocidas a esta regla son las ARN virus. Mutaciones , los cambios hereditarios en el ADN, ocurren espontáneamente y la tasa de mutación puede incrementarse por agentes mutagénicos. En la práctica, la susceptibilidad de las bacterias a los agentes mutagénicos se ha utilizado para identificar productos químicos potencialmente peligrosos en el medio ambiente. Por ejemplo, la prueba de Ames se desarrolló para evaluar la mutagenicidad de una sustancia química de la siguiente manera. Las placas que contienen un medio que carece, por ejemplo, del nutriente histidina se inolculan con una cepa de la bacteria que requiere histidina. Salmonella typhimurium. Por lo tanto, solo las células que vuelven al tipo salvaje pueden crecer en el medio. Si las placas se exponen a un agente mutágeno, el aumento del número de mutantes en comparación con las placas no expuestas, se puede observar un gran número de revertientes indicaría un agente mutagénico fuerte. Para tales estudios, los microorganismos ofrecen la ventaja de que tienen tiempos de generación medios cortos, se cultivan fácilmente en un espacio pequeño en condiciones controladas y tienen una estructura relativamente sencilla.

Los primeros genetistas generalmente ignoraron los microorganismos, y en particular las bacterias, debido a su pequeño tamaño y aparente falta de rasgos variables fácilmente identificables. Por lo tanto, un método de identificación de variaciones y mutaciones en microbios fue fundamental para el progreso de la genética microbiana. Como muchas de las mutaciones se manifiestan como anomalías metabólicas, se desarrollaron métodos mediante los cuales se podían detectar mutantes microbianos seleccionando o analizando fenotipos alterados. Positivo selección se define como la detección de células mutantes y el rechazo de células no mutadas. Un ejemplo de esto es la selección de penicilina mutantes resistentes, logrados mediante el cultivo de organismos en medios que contienen penicilina de modo que solo crezcan colonias resistentes. Por el contrario, la selección negativa detecta células que no pueden realizar una determinada función y se usa para seleccionar mutantes que requieren uno o más factores de crecimiento adicionales. El revestimiento de réplica se utiliza para la selección negativa e implica dos impresiones idénticas de colonia realizándose distribuciones en platos con y sin los nutrientes requeridos. Los microbios que no crecen en el plato y que carecen del nutriente pueden seleccionarse del plato idéntico, que sí contiene el nutriente.

Los primeros intentos de utilizar microbios para estudios genéticos se realizaron en los EE. UU. Poco antes de la Segunda Guerra Mundial, cuando George W. Beadle (1903 & # x2013 1989) y Edward L. Tatum (1909 & # x2013 1975) empleó el hongo, Neurospora, para investigar la genética del triptófano metabolismo y síntesis de ácido nicotínico. Este trabajo condujo al desarrollo de la hipótesis de "un gen, una enzima". Sin embargo, el trabajo con la genética bacteriana no se inició realmente hasta finales de la década de 1940. Durante mucho tiempo, se pensó que las bacterias carecían de reproducción sexual, lo que se creía necesario para mezclar genes de diferentes organismos individuales, un proceso fundamental para estudios genéticos útiles. Sin embargo, en 1947, Joshua Lederberg (1925 & # x2013) trabajando con Edward Tatum demostró el intercambio de factores genéticos en la bacteria, Escherichia coli. Este proceso de transferencia de ADN se denominó conjugación y requiere el contacto de célula a célula entre dos bacterias. Está controlado por genes transportados por plásmidos , como el factor de fertilidad (F), y típicamente implica la transferencia del plásmido de la célula donante a la receptora. Sin embargo, en ocasiones también se pueden movilizar y transferir otros elementos genéticos, incluido el cromosoma de la célula donante. La transferencia al cromosoma del huésped rara vez se completa, pero se puede utilizar para mapear el orden de los genes en un genoma bacteriano.

Otros medios por los cuales los genes extraños pueden ingresar a una célula bacteriana incluyen transformación , transfección y transducción . De los tres procesos, la transformación es probablemente el más significativo. La evidencia de transformación en bacterias fue obtenida por primera vez por el científico británico Fred Griffith (1881 & # x2013 1941) a finales de la década de 1920 trabajando con steotococos neumonia y el proceso fue explicado más tarde en la década de 1930 por Oswald Avery (1877 & # x2013 1955) y sus asociados en el Instituto Rockefeller de Nueva York. Se descubrió que ciertas bacterias exhiben competencia, un estado en el que las células pueden absorber el ADN libre liberado por otras bacterias. Este es el proceso conocido como transformación, sin embargo, relativamente pocos microorganismos pueden transformarse de forma natural. Posteriormente se desarrollaron ciertos procedimientos de laboratorio que permiten introducir ADN en bacterias, por ejemplo, la electroporación, que modifica la membrana bacteriana mediante tratamiento con un campo eléctrico para facilitar la captación de ADN. Los dos últimos procesos, transfección y transducción, involucran la participación de virus para la transferencia de ácidos nucleicos. La transfección ocurre cuando las bacterias se transforman con ADN extraído de un virus bacteriano en lugar de otra bacteria. La transducción implica la transferencia de genes del huésped de una bacteria a otra por medio de virus. En la transducción generalizada, las partículas virales defectuosas incorporan aleatoriamente fragmentos del ADN celular, prácticamente cualquier gen del donante puede transferirse, aunque la eficacia es baja. En la transducción especializada, el ADN de un virus templado se escinde incorrectamente y trae consigo genes adyacentes del huésped. Solo se transducen los genes cercanos al punto de integración del virus y la eficiencia puede ser alta.

Después del descubrimiento de la transferencia de ADN en bacterias, las bacterias se convirtieron en objetos de gran interés para los genetistas porque su tasa de reproducción y mutación es más alta que en organismos más grandes, es decir, una mutación ocurre en un gen aproximadamente una vez en 10,000,000 de duplicaciones de genes, y una bacteria puede producir 10,000,000,000 de crías en 48 horas. La conjugación, transformación y transducción han sido métodos importantes para mapear los genes en el cromosomas de bacterias. Estas técnicas, junto con el análisis de enzimas de restricción, clonación La secuenciación del ADN ha permitido realizar estudios detallados del cromosoma bacteriano. Aunque hay pocas reglas que rigen la ubicación de los genes, los genes que codifican las enzimas para muchas vías bioquímicas se encuentran a menudo estrechamente vinculados en los operones de los procariotas. Los proyectos de secuenciación a gran escala revelaron la secuencia de ADN completa de los genomas de varios procariotas, incluso antes de que se consideraran los genomas eucariotas.

Ver también Crecimiento y división bacteriana Bacteriófagos y tipificación de bacteriófagos Ciclo celular (eucariota), regulación genética del ciclo celular (procariota), regulación genética de la genética fúngica Mutaciones y mutagénesis Genética viral Vectores virales en terapia génica


Tecnología de ADN recombinante y producción farmacéutica

La ingeniería genética ha proporcionado una forma de crear nuevos productos farmacéuticos denominados productos farmacéuticos de ADN recombinante. Dichos productos incluyen antibióticos, vacunas y hormonas que se usan para tratar diversas enfermedades. La Tabla 1 enumera ejemplos de productos de ADN recombinante y sus usos.

Tabla 1. Algunas aplicaciones y productos farmacéuticos genéticamente modificados
Producto de ADN recombinante Solicitud
Péptido Natriurético Atrial Tratamiento de enfermedades cardíacas (p. Ej., Insuficiencia cardíaca congestiva), enfermedad renal, presión arterial alta
DNasa Tratamiento de secreciones pulmonares viscosas en fibrosis quística
Eritropoyetina Tratamiento de la anemia grave con daño renal.
Factor VIII Tratamiento de la hemofilia
Vacuna contra la hepatitis B Prevención de la infección por hepatitis B
Hormona del crecimiento humano Tratamiento de la deficiencia de la hormona del crecimiento, síndrome de Turner, quemaduras
Insulina humana Tratamiento de la diabetes
Interferones Tratamiento de la esclerosis múltiple, varios cánceres (p. Ej., Melanoma), infecciones virales (p. Ej., Hepatitis B y C)
Tetracenomicinas Usado como antibióticos.
Activador de plasminógeno tisular Tratamiento de la embolia pulmonar en accidente cerebrovascular isquémico, infarto de miocardio.

Por ejemplo, las vías naturales de síntesis de antibióticos de varios Streptomyces spp., conocidas desde hace mucho tiempo por su capacidad de producción de antibióticos, pueden modificarse para mejorar los rendimientos o para crear nuevos antibióticos mediante la introducción de genes que codifican enzimas adicionales. Se han generado más de 200 nuevos antibióticos a través de la inactivación dirigida de genes y la nueva combinación de genes de síntesis de antibióticos en la producción de antibióticos. Streptomyces Hospedadores. [3]

La ingeniería genética también se utiliza para fabricar vacunas de subunidad, que son más seguras que otras vacunas porque contienen una sola molécula antigénica y carecen de cualquier parte del genoma del patógeno (ver Vacunas). Por ejemplo, una vacuna para la hepatitis B se crea insertando un gen que codifica una proteína de superficie de la hepatitis B en una levadura, la levadura produce esta proteína, que el sistema inmunológico humano reconoce como un antígeno. El antígeno de la hepatitis B se purifica a partir de cultivos de levadura y se administra a los pacientes como vacuna. Aunque la vacuna no contiene el virus de la hepatitis B, la presencia de la proteína antigénica estimula al sistema inmunológico a producir anticuerpos que protegerán al paciente contra el virus en caso de exposición. [4] [5]

La ingeniería genética también ha sido importante en la producción de otras proteínas terapéuticas, como insulina, interferones, y hormona del crecimiento humano, para tratar una variedad de condiciones médicas humanas. Por ejemplo, en un momento, era posible tratar la diabetes solo administrando a los pacientes insulina de cerdo, lo que provocaba reacciones alérgicas debido a pequeñas diferencias entre las proteínas expresadas en la insulina humana y porcina. Sin embargo, desde 1978, la tecnología de ADN recombinante se ha utilizado para producir cantidades a gran escala de insulina humana utilizando E. coli en un proceso relativamente económico que produce un producto farmacéutico eficaz de forma más consistente. Los científicos también han diseñado genéticamente E. coli capaz de producir la hormona del crecimiento humano (HGH), que se utiliza para tratar los trastornos del crecimiento en niños y algunos otros trastornos en adultos. El gen HGH se clonó a partir de una biblioteca de ADNc y se insertó en E. coli células clonándolas en un vector bacteriano. Eventualmente, la ingeniería genética se utilizará para producir Vacunas de ADN y diversas terapias génicas, así como medicamentos personalizados para combatir el cáncer y otras enfermedades.

Piénsalo

  • ¿Qué bacteria ha sido modificada genéticamente para producir insulina humana para el tratamiento de la diabetes?
  • Explique cómo se pueden modificar los microorganismos para producir vacunas.

Definición de genética:

“La rama de la ciencia se ocupa del estudio de la herencia y variación de genes y el genotipo se llama genética. "

"El estudio de la estructura y función del ADN, genes, cromosomas y alteraciones relacionadas se llama genética".

El término "Genética" fue acuñado por William Bateson es 1905.

El término "genética" se deriva de la palabra griega "Genetikos" y "génesis". Genetikos: generativo y génesis: origen.

A continuación se dan varias aplicaciones de la genética,


Reflejos

Los consorcios microbianos exhiben ventajas sobre los monocultivos, incluida la división del trabajo, la organización espacial y la solidez a las perturbaciones.

Las herramientas de biología sintética se utilizan para construir y controlar consorcios mediante la manipulación de redes de comunicación, la regulación de la expresión génica a través de entradas exógenas y la ingeniería de interacciones sintróficas.

Los enfoques de biología sintética para controlar el comportamiento de especies individuales dentro de un consorcio incluyen el control de la población, la distribución de tareas y la organización espacial.

La construcción de consorcios microbianos se ve reforzada por modelos computacionales, que pueden predecir las redes de alimentación cruzada metabólica preferidas e inferir la dinámica de la población a lo largo del tiempo.

La biotecnología microbiana se beneficia de los consorcios debido a las actividades catalíticas únicas de cada miembro, su capacidad para utilizar sustratos complejos, la compartimentación de vías y la distribución de la carga molecular.

Los consorcios microbianos se han utilizado en procesos biotecnológicos, incluida la fermentación, el tratamiento de residuos y la agricultura, durante milenios. Hoy en día, los biólogos sintéticos están diseñando cada vez más consorcios microbianos para diversas aplicaciones, incluida la bioproducción de medicamentos, biocombustibles y biomateriales a partir de fuentes de carbono económicas. Una mejor comprensión de los ecosistemas microbianos naturales y el desarrollo de nuevas herramientas para construir consorcios sintéticos y programar sus comportamientos ampliarán enormemente las funciones que pueden realizar las comunidades de microorganismos interactuantes. Aquí, revisamos los avances recientes en herramientas de biología sintética y enfoques para diseñar consorcios microbianos sintéticos, discutimos los esfuerzos en curso y emergentes para aplicar consorcios para diversas aplicaciones biotecnológicas y sugerimos aplicaciones futuras.


Ver el vídeo: Genética microbiana I (Agosto 2022).