La genética microbiana es un área temática dentro de la microbiología y la ingeniería genética. La genética microbiana estudia los microorganismos para diferentes propósitos. Los microorganismos que se observan son bacterias y arqueas. Algunos hongos y protozoos también son temas utilizados para estudiar en este campo. Los estudios de microorganismos involucran estudios de genotipo y sistema de expresión. Los genotipos son las composiciones heredadas de un organismo. La Ingeniería Genética es un campo de trabajo y estudio dentro de la genética microbiana. El uso de tecnología de ADN recombinante es un proceso de este trabajo. El proceso implica la creación de moléculas de ADN recombinante mediante la manipulación de una secuencia de ADN. Ese ADN creado está entonces en contacto con un organismo huésped. La clonación también es un ejemplo de ingeniería genética.
Desde el descubrimiento de microorganismos por Robert Hooke y Antoni van Leeuwenhoek durante el período 1665-1885 se han utilizado para estudiar muchos procesos y han tenido aplicaciones en diversas áreas de estudio en genética. Por ejemplo: Los científicos utilizan las rápidas tasas de crecimiento de los microorganismos y los cortos tiempos de generación para estudiar la evolución. Los descubrimientos de Robert Hooke y Antoni van Leeuwenhoek involucraron representaciones, observaciones y descripciones de microorganismos, realizadas mediante un microscopio simple. La genética microbiana también tiene aplicaciones para poder estudiar procesos y vías similares a las que se encuentran en los seres humanos, como el metabolismo de los fármacos.
Papel en la comprensión de la evolución La genética microbiana puede centrarse en el trabajo de Charles Darwin, específicamente, la teoría de la selección natural de Darwin. El estudio de la evolución mediante el uso de la genética microbiana implica que los científicos analicen el equilibrio evolutivo. Un ejemplo de cómo pueden lograr esto es estudiar la selección natural o la deriva de microbios. La aplicación de este conocimiento proviene de buscar la presencia o ausencia en una variedad de formas diferentes. Las formas incluyen la identificación de ciertas vías, genes y funciones. Una vez que se observa al sujeto, el científico puede compararlo con una secuencia de un gen conservado. El proceso de estudiar la evolución microbiana de esta manera carece de la capacidad de dar una escala de tiempo de cuándo tuvo lugar la evolución. Sin embargo, al probar la evolución de esta manera, los científicos pueden conocer las tasas y los resultados de la evolución. Estudiar la relación entre los microbios y el medio ambiente es un componente clave para la evolución de la genética microbiana.
Microorganismos cuyo estudio se engloba en la genética microbiana
Bacterias miniaturadeimagen| Las bacterias se clasifican por su forma.|349x349px Las bacterias han estado en este planeta durante aproximadamente 3.500 millones de años y se clasifican por su forma. La genética bacteriana estudia los mecanismos de su información hereditaria, sus cromosomas, plásmidos, transposones y fagos.
Los sistemas de transferencia de genes que se han estudiado ampliamente en bacterias incluyen la transformación genética, la conjugación y la transducción. La transformación natural es una adaptación bacteriana para la transferencia de ADN entre dos células a través del medio intermedio. La captación del ADN del donante y su incorporación recombinacional en el cromosoma receptor depende de la expresión de numerosos genes bacterianos cuyos productos dirigen este proceso. En general, la transformación es un proceso de desarrollo complejo que requiere energía y que parece ser una adaptación para reparar el daño del ADN.
La conjugación bacteriana es la transferencia de material genético entre células bacterianas por contacto directo de célula a célula o por una conexión en forma de puente entre dos células. La conjugación bacteriana se ha estudiado extensamente en Escherichia coli, pero también ocurre en otras bacterias como Mycobacterium smegmatis. La conjugación requiere un contacto estable y prolongado entre un donante y una cepa receptora, es resistente a la ADNasa y el ADN transferido se incorpora al cromosoma del receptor mediante recombinación homóloga. La conjugación de E. coli está mediada por la expresión de genes de plásmidos, mientras que la conjugación de micobacterias está mediada por genes del cromosoma bacteriano.
La transducción es el proceso mediante el cual un virus o un vector viral introduce ADN extraño en una célula. La transducción es una herramienta común utilizada por los biólogos moleculares para introducir de manera estable un gen extraño en el genoma de una célula huésped.
Arqueas Las arqueas son un dominio de organismos procarióticos, unicelulares y se cree que se desarrollaron hace 4 mil millones de años. No tienen núcleo celular ni ningún otro orgánulo dentro de sus células. Las arqueas se replican asexualmente en un proceso conocido como fisión binaria. El ciclo de división celular incluye cuando los cromosomas de las células hijas se replican. Debido a que los arquea tienen una estructura cromosómica singular, las dos células hijas se separan y la célula se divide. Las arqueas tienen movilidad incluida con flagelos, que es una estructura similar a una cola. Los cromosomas arqueales se replican a partir de diferentes orígenes de replicación, produciendo dos células hijas haploides. Comparten un ancestro común con las bacterias, pero están más estrechamente relacionados con los eucariotas en comparación con las bacterias. Algunas arqueas pueden sobrevivir en entornos extremos, lo que conduce a muchas aplicaciones en el campo de la genética. Una de esas aplicaciones es el uso de enzimas arqueales, que podrían sobrevivir mejor a las duras condiciones in vitro.
La transferencia de genes y el intercambio genético se han estudiado en la arqueona halófila Halobacterium volcanii y en las arqueonas hipertermófilas Sulfolobus solfataricus y Sulfolobus acidocaldarius. La H. volcani forma puentes citoplásmicos entre células que parecen utilizarse para la transferencia de ADN de una célula a otra en cualquier dirección. Cuando S. solfataricus y S. acidocaldarius se exponen a agentes que dañan el ADN, se induce la agregación celular específica de la especie. La agregación celular media el intercambio de marcadores cromosómicos y la recombinación genética con alta frecuencia. Se cree que la agregación celular mejora la transferencia de ADN específico de la especie entre las células de Sulfolobus para proporcionar una mayor reparación del ADN dañado por medio de la recombinación homóloga.
Las arqueas se dividen en 3 subgrupos que son halófilos, metanógenos y termoacidófilos:
El primer grupo, los metanógenos, son las arqueabacterias que viven en pantanos y marismas, así como en el intestino de los humanos. También juegan un papel importante en la descomposición y descomposición con organismos muertos. Los metanógenos son organismos anaeróbicos, que mueren cuando se exponen al oxígeno. El segundo subgrupo de arqueabacterias, los halófilos son organismos que están presentes en áreas con alta concentración de sal como el Gran Lago Salado y el Mar Muerto. El tercer subgrupo de termoacidófilos, también llamados termófilos, son organismos que viven en áreas ácidas. Están presentes en áreas con niveles bajos de pH como aguas termales y géiseres. La mayoría de los termófilos se encuentran en el parque nacional de Yellowstone.
La Genética Arqueal es el estudio de genes que consisten en células libres de un solo núcleo. Las arqueas tienen cromosomas circulares únicos que contienen múltiples orígenes de replicación para el inicio de la síntesis de ADN. La replicación del ADN de las arqueas implica procesos similares que incluyen inicio, alargamiento y terminación. La primasa utilizada para sintetizar un cebador de ARN varía que en eucariotas. La primasa de arqueas es una versión altamente derivada del motivo de reconocimiento de ARN (RRM). Las arqueas provienen de bacterias Gram positivas, que tienen una sola bicapa lipídica, que son resistentes a los antibióticos. Las arqueas son similares a las mitocondrias en eucariotas en que liberan energía como trifosfato de adenosina (ATP) a través de una reacción química llamada metabolismo. Algunas arqueas conocidas como arqueas fototróficas utilizan la energía del sol para producir ATP. La ATP sintasa se utiliza como fotofosforilación para convertir sustancias químicas en ATP.
Las arqueas y las bacterias son estructuralmente similares aunque no estén estrechamente relacionadas en el árbol de la vida. Las formas de las células de las bacterias y arqueas varían desde una forma esférica conocida como coccus o una forma de varilla conocida como bacilo. También están relacionados sin membrana interna y con una pared celular que ayuda a la célula a mantener su forma. Aunque las células de las arqueas tienen paredes celulares, no contienen peptidoglicano, lo que significa que las arqueas no producen celulosa ni quitina. Las arqueas están más estrechamente relacionadas con los eucariotas debido al ARNt presente en las arqueas, pero no en las bacterias. Las arqueas tienen los mismos ribosomas que los eucariotas que se sintetizan en proteínas. Aparte de la morfología de las arqueas y las bacterias, existen otras diferencias entre estos dominios. Las arqueas que viven en ambientes extremos y duros con bajos niveles de pH, como lagos salados, océanos y en el intestino de rumiantes y humanos, también se conocen como extremófilos. Por el contrario, las bacterias se encuentran en diversas áreas, como plantas, animales, suelo y rocas.
Hongos Los hongos pueden ser organismos tanto multicelulares como unicelulares, y se distinguen de otros microbios por la forma en que obtienen nutrientes. Los hongos secretan enzimas en su entorno para descomponer la materia orgánica. La genética fúngica utiliza levaduras y hongos filamentosos como organismos modelo para la investigación genética eucariota, incluida la regulación del ciclo celular, la estructura de la cromatina y la regulación genética.
Los estudios del hongo Neurospora crassa han contribuido sustancialmente a comprender cómo funcionan los genes. El N. crassa es un tipo de moho de pan rojo del filo Ascomycota. Se utiliza como organismo modelo porque es fácil de cultivar y tiene un ciclo de vida haploide que simplifica el análisis genético, ya que los rasgos recesivos aparecerán en la descendencia. El análisis de la recombinación genética se ve facilitado por la disposición ordenada de los productos de la meiosis en las ascosporas. En su entorno natural, N. crassa vive principalmente en regiones tropicales y subtropicales. A menudo se puede encontrar creciendo sobre materia vegetal muerta después de los incendios.
Edward Tatum y George Beadle utilizaron Neurospora en sus experimentos por los que ganaron el Premio Nobel de Fisiología o Medicina en 1958. Los resultados de estos experimentos llevaron directamente a la hipótesis de un gen y una enzima de que genes específicos codifican proteínas específicas. Este concepto demostró ser el arma de apertura de lo que se convirtió en genética molecular y de todos los desarrollos que se derivaron de ella.