Nuevo estudio revela que partes son fundamentales en el genoma bacteriano


Un equipo de la Facultad de Medicina de la Universidad de Stanford ha catalogado, al pie de la letra, exactamente qué partes del código genético son esenciales para la supervivencia de una especie bacteriana,Caulobacter crescentus.

Se encontró que el 12 por ciento del material genético de la bacteria es esencial para la supervivencia en condiciones de laboratorio. Los elementos esenciales incluyen no sólo genes codificadores de proteínas, sino también reguladores de ADN y, curiosamente, otros pequeños segmentos de ADN de función desconocida. El otro 88 por ciento del genoma puede ser interrumpido sin dañar la capacidad de las bacterias para crecer y reproducirse.

El estudio, que fue habilitado por el desarrollo del equipo de un nuevo método muy eficiente de análisis genético, allana el camino para una mejor comprensión de cómo la vida bacteriana ha evolucionado y mejora la identificación de elementos de ADN que son esenciales para muchos procesos bacterianos, incluyendo la supervivencia de bacterias patógenas en una persona infectada. Será publicado en línea  en Molecular Systems Biology.

“Este trabajo aborda una cuestión fundamental en biología: ¿Qué es esencial para la vida?” , dijo Beat Christen, uno de los coautores del nuevo estudio e investigador postdoctoral en biología de desarrollo. “Se nos ocurrió un método para identificar  todas las partes del genoma necesarias para la vida.”, añade.

La bacteria estudiada es una especie no patógena que habita agua dulce y que se ha utilizado anteriormente en investigación de la biología molecular. Su genoma se secuenció en 2001, pero conocer su código genético no le decía a los investigadores que fragmentos de ADN eran importantes para la  supervivencia de las bacterias.

“Hubo muchas sorpresas en el análisis de las regiones esenciales del genoma de la Caulobacter”, dijo Lucy Shapiro, autora principal del artículo. “Por ejemplo, hemos encontrado 91 segmentos de ADN esenciales que no tenemos idea de lo que hacen. Estos pueden proporcionar pistas que nos conduzcan a funciones bacterianas nuevas y desconocidas por completo.” Shapiro es profesora de biología de desarrollo y  directora del Centro Beckman para Medicina Molecular y Genética de la Universidad de Stanford.

El ADN de la Caulobacteria, al igual que el de la mayoría de las bacterias, es un único anillo de cromosomas. Para llevar a cabo su experimento, los investigadores mutaron  muchas células  para que cada célula incorpora un fragmento de ADN artificial en un lugar al azar en su cromosoma. El ADN artificial, etiquetado para  que los científicos pudieran encontrarlo más tarde, interrumpió el funcionamiento de la región de ADN bacteriano donde se fijaba. Durante dos días, los investigadores cultivaron estos mutantes hasta que tuvieron alrededor de 1 millón de células bacterianas, a continuación, secuenciaron el ADN. Después de un análisis intensivo de computadoras, crearon un mapa detallado del genoma bacteriano completo que mostraba exactamente en que partes se habían insertado estos mutantes en las células supervivientes.

Este mapa contenía muchas lagunas de regiones del ADN donde no había bacterias que hubiesen sobrevivido a la inserción de ADN artificial. Estas regiones, razonaron los investigadores, debían ser esenciales para la vida bacteriana ya que los mutantes interrumpió la supervivencia bacteriana.

“Estábamos buscando el perro que no ladraba“, bromea Shapiro.

Los científicos han utilizado una estrategia de mapeo similar al encontrar elementos genéticos esenciales antes, pero el equipo de Stanford añadió una serie de innovaciones que mejoraron la velocidad y resolución del método.

“Nuestro método es muy dinámico”, dijo Christen.”Podemos hacer un análisis que antes llevaba años en unas pocas semanas. Inmediatamente nos puede dar la respuesta”.

El nuevo método se convierte en un trabajo de un único experimento que se utiliza para tomar docenas de medidas, y reduce el tiempo necesario para la investigación y análisis de datos.

En total, lo esencial del genoma de la Caulobacter fueron 492.941 pares de bases e incluyen 480 genes codificadores de proteínas que se agrupan en dos regiones del cromosoma. Los investigadores también identificaron 402 regiones promotoras esenciales que aumentan o disminuyen la actividad de los genes, y 130 segmentos de ADN que no codifican proteínas, pero tienen otras funciones en la modificación de metabolismo bacteriano o la reproducción. De las regiones de ADN individuales identificados como esenciales, 91 eran regiones no codificadoras de función desconocida y 49 genes que codifican proteínas cuya función se desconoce. El aprendizaje de las funciones de estas regiones misteriosas ampliará nuestro conocimiento del metabolismo bacteriano, asegura el equipo.

El equipo de investigación prevé que la nueva técnica tiene varias aplicaciones interesantes en investigación básica y aplicada. Por ejemplo, la técnica ofrece un método rápido y económico para saber qué elementos genéticos son esenciales en cualquier especie microbiana.

“Esto daría información fundamental para poder determinar qué elementos genéticos esenciales se conservan a través de la evolución”, dijo el co-autor Harley McAdams, profesor de biología de desarrollo.

Los científicos también señalaron que el método podría ser utilizado para estudiar cuáles son los segmentos de ADN esenciales para la supervivencia bacteriana en circunstancias específicas, como por ejemplo cuando las bacterias patógenas invaden un animal huésped o de una planta. Y al desarrollo de una amplia lista de elementos genéticos que hacen a una especie bacteriana infecciosa, podría conducir a la identificación de nuevos agentes antiinfecciosos incluyendo nuevos antibióticos.

El equipo de investigación está compuesto por Eduard Abeliuk, estudiante graduado en ingeniería eléctrica, el investigador asociado John Collier, el científico de investigación senior Virginia Kalogeraki,  Ben Passarelli, director de  computación de la Universidad de Stanford de Genómica Funcional, John Coller, director del Stanford Genómical Funcional y Michael Fero,  del Instituto Nacional de Ciencias Médicas Generales e investigador cuantitativo en Stanford.

La investigación fue financiada por becas de la Oficina del Departamento de Energía de Ciencia, los Institutos Nacionales de Salud, la Fundación Nacional Suiza y una beca de la Fundación Roche.

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