Genética bacteriana: organização, mecanismos, regulação, transferência - Ciência - 2023

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o genética bacteriana é o estudo das bases da informação genética dentro das células das bactérias. Isso abrange a organização da informação genética, como ela é regulamentada, como é expressa e como varia.

Os primeiros experimentos em genética bacteriana foram realizados no século 19, em um contexto histórico em que ainda não se sabia se as bactérias tinham mecanismos para trocar informações genéticas, nem mesmo se possuíam um cromossomo.

A única coisa realmente certa é que as bactérias podiam estabelecer linhas estáveis com diferentes fenótipos, pelo menos para a assimilação de diferentes compostos nutricionais, e que ocasionalmente novas formas surgiam, aparentemente devido a mutações genéticas.

Com a grande incerteza que existia sobre as bactérias na época, era imperativo responder a certas questões sobre a "genética bacteriana" experimentalmente, especialmente para entender se as bactérias atendiam aos princípios básicos da hereditariedade.

Finalmente, em 1946, Joshua Lederberg e Edward Tatum resolveram essas questões básicas usando duas cepas da bactéria. Escherichia coli, cepa A e cepa B, cada uma com diferentes necessidades nutricionais.

As células do tipo A e B não conseguiram crescer em meio mínimo, pois ambas apresentavam mutações que as impediam de assimilar os nutrientes desse meio.

No entanto, quando A e B foram misturados por algumas horas e subsequentemente semeados na placa de meio mínimo, algumas colônias apareceram nas placas de meio mínimo, ou seja, elas cresceram.

Essas colônias se originaram de células individuais que trocaram material genético e, após a troca, conseguiram expressar a informação genética no fenótipo e, assim, assimilar os nutrientes do meio mínimo.

Organização da informação genética

Todas as informações genéticas necessárias para a vida de uma bactéria são encontradas no "cromossomo bacteriano", uma única molécula de ácido desoxirribonucléico (DNA) de fita dupla.

Essa molécula de DNA está disposta em uma estrutura circular, fechada por ligações covalentes, e forma, junto com algumas proteínas, o cromossomo bacteriano.

As bactérias, além do cromossomo bacteriano, podem apresentar fragmentos de DNA extracromossômico menores, mas também estruturados de forma circular fechada. Essas moléculas de DNA são chamadas coletivamente de "plasmídeos" ou "DNA de plasmídeo".

As moléculas de DNA de plasmídeo são usadas por bactérias para trocar informações genéticas muito específicas entre elas.

Geralmente, quando uma das células bacterianas desenvolve resistência a um antibiótico, ela pode transmitir essa resistência a outras células bacterianas por meio de plasmídeos.

O tamanho da molécula de DNA do plasmídeo em bactérias pode variar de 3 a 10 quilo bases e centenas de cópias de um único tipo de plasmídeo podem ser encontradas em muitas espécies de bactérias.

A composição e a estrutura do DNA das bactérias são as mesmas encontradas em todos os seres vivos e nos vírus. Sua estrutura consiste em uma espinha dorsal de açúcar, bases nitrogenadas e grupos fosfato.

O mapa cromossômico bacteriano completo de Escherichia coli foi alcançado em 1963. Detalhava a posição exata de aproximadamente 100 genes, mas hoje se sabe que o cromossomo de E. coli contém mais de 1000 genes e 4,2 milhões de pares de bases de tamanho.

Mecanismos de expressão gênica

O mecanismo de expressão gênica em bactérias é semelhante em alguns aspectos ao processo de expressão gênica que ocorre em outros seres vivos e também depende dos processos de transcrição e tradução.

As informações dos genes são transcritas para uma molécula de RNA e, posteriormente, para a sequência de aminoácidos que compõem as proteínas. Esse processo é o que realiza a expressão das informações contidas no genótipo e da estrutura do fenótipo.

Transcrição

Na transcrição, a enzima RNA polimerase cria um produto complementar a um segmento de DNA que usa como molde, mas esse produto é o ácido ribonucléico (RNA).

Essa molécula carrega as informações para a síntese da proteína codificada pelo segmento de DNA, é uma banda única e é chamada de RNA mensageiro. A RNA polimerase de bactérias é diferente em bactérias e em organismos eucarióticos.

A RNA polimerase identifica um local específico no DNA (promotor) onde se liga para iniciar a transcrição. Uma única molécula de RNA mensageiro pode conter a informação para mais de um gene.

Ao contrário dos organismos eucarióticos, os genes das bactérias não possuem "íntrons" em sua sequência, uma vez que as bactérias não possuem um núcleo que separe o cromossomo dos outros elementos do citoplasma.

Tradução

Como todos os elementos estão "soltos" no citoplasma da célula bacteriana, as moléculas de RNA mensageiro recém-sintetizadas podem entrar em contato com os ribossomos e iniciar a síntese de proteínas imediatamente.

Isso permite que as bactérias tenham uma vantagem em responder e se adaptar a mudanças extremas no ambiente.

O RNA ribossomal, o RNA de transferência e várias proteínas ribossômicas participam da tradução. Os ribossomos das células procarióticas variam em estrutura e composição em relação aos ribossomos das células eucarióticas.

Esses elementos “lêem” na forma de tripletos de nucleotídeos (códons) as instruções incorporadas no código genético das moléculas de RNA mensageiro e, ao mesmo tempo, eles montam cada um dos aminoácidos para formar o polipeptídeo.

A "universalidade" do código genético permite aos cientistas usar a tradução de bactérias como uma importante ferramenta para a síntese de peptídeos e proteínas com interesse tecnológico.

Regulação da expressão gênica

O mecanismo que controla a expressão gênica em bactérias é extremamente preciso; permite que eles regulem com precisão a quantidade e o momento da síntese do produto gênico, de modo que ocorram apenas quando necessário.

Uma região do genoma bacteriano que agrupa vários genes é chamada de "operon". Essa região ativa ou desativa sua transcrição dependendo das condições em que a bactéria se encontra.

Todos os genes que fazem parte do mesmo operon são transcritos coordenadamente em um RNA mensageiro que contém muitos genes (chamado de RNA "policistrônico"). Esses RNAs são traduzidos em ribossomos sequencialmente, um após o outro.

Os operons podem ser regulados positiva ou negativamente. Os genes só param de se expressar quando proteínas inibidoras chamadas repressoras se ligam a uma sequência específica em sua estrutura.

A sequência específica do gene é chamada de "promotor", quando a proteína repressora está ligada ao promotor, a RNA polimerase não pode iniciar a transcrição da sequência genética em questão.

Por outro lado, quando os operons são regulados positivamente, a transcrição dessa região genética não começará até que uma proteína ativadora esteja presente e se ligue à sequência de DNA específica.

Os cientistas usam essa "indutibilidade" dos operons para aumentar ou diminuir a expressão gênica de certas regiões de interesse nas bactérias. Com a introdução de alguns substratos, a expressão das enzimas necessárias ao metabolismo pode ser aumentada.

Transferência de gene

As bactérias, ao contrário das células eucarióticas, não transferem seus genes por meio da reprodução sexuada, mas podem fazê-lo por três processos diferentes: transformação, transdução e conjugação.

Transformação

Em transformação, algumas células bacterianas na população tornam-se "competentes". Uma vez "competentes", eles são capazes de receber DNA exógeno de outras bactérias encontradas no ambiente extracelular.

Assim que o DNA é incorporado ao interior da célula, a bactéria realiza um processo de combinação dos genes contidos em seu cromossomo com o DNA estranho que acaba de ser incorporado a ele. Este processo é conhecido como recombinação genética.

Transdução

Na transdução, as bactérias incorporam DNA de outras bactérias em sua molécula de DNA por meio de vírus que infectam bactérias (bacteriófagos). Isso pode ser dado de forma especializada ou generalizada.

Na transdução especializada, ocorre quando um fago que previamente infectou outra bactéria adquire seus genes durante o ciclo infeccioso.

Mais tarde, ao infectar uma nova bactéria e incorporar seus genes no cromossomo da nova bactéria infectada, também incorpora genes da bactéria que havia infectado anteriormente.

Durante a transdução generalizada, as partículas de fago defeituosas que possuem seus capsídeos vazios incorporam parte do cromossomo bacteriano durante a replicação viral, então, uma vez infectadas outra bactéria, podem introduzir os genes retirados da bactéria anterior.

Conjugação

Na conjugação, as bactérias trocam material genético de forma unidirecional, por meio do contato físico. Uma das bactérias atua como doadora e a outra como receptora. Nesse processo, a bactéria doadora geralmente dá uma molécula de DNA de plasmídeo à bactéria receptora.

A conjugação em bactérias não é típica de todas as espécies, a capacidade de conjugação é garantida por genes que são transmitidos por meio de uma molécula de DNA de plasmídeo.

Referências

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Luria, S.E. (1947). Avanços recentes na genética bacteriana. Avaliações bacteriológicas, 11(1), 1.