Secuenciación del genoma bacteriano: usos y aplicaciones
Introducción
La secuenciación es un
proceso que permite determinar el orden en el que se encuentran las bases
nitrogenadas de un DNA. Actualmente, la
secuenciación resulta indispensable en numerosos campos aplicados, que
posteriormente, se expondrán de forma de tallada. A lo largo de la historia se
han desarrollado diferentes métodos para la secuenciación del DNA. El más
utilizado actualmente es el método de Sanger
(1), (2) (Video 1). Los resultados obtenidos mediante este método se
visualizan mediante un secuenciador (Figura 1).
Video 1. Explica de modo esquematizado la realización del método de Sanger.
Figura 1 Se muestra la secuencia de bases de un DNA. Cada color representa un desoxiribonucleótido diferente. La citosina es azul, la guanina negra, la adenina es verde y la timina es roja.
Video 1. Explica de modo esquematizado la realización del método de Sanger.
Figura 1 Se muestra la secuencia de bases de un DNA. Cada color representa un desoxiribonucleótido diferente. La citosina es azul, la guanina negra, la adenina es verde y la timina es roja.
Aplicaciones
Las bacterias presentan
interés desde un punto de vista científico porque tienen una amplia diversidad
y pueden utilizarse en diversos campos (Figura 2).
Figura 2. Resume la cantidad de aplicaciones que tiene la biotecnología a nivel sanitario, agrónomo e industrial.
Aplicaciones taxonómicas
Actualmente, las
bacterias se clasifican por la secuenciación de una parte de su genoma como la
molécula el 16S rRNA (3); aunque todavía se conservan algunas clasificaciones
morfológicas tradicionales debido a que resaltan otras características
importantes de los microoganismos. Las bacterias que pertenecen a un mismo
grupo taxonómico suelen presentar características parecidas, como por ejemplo,
receptores de membrana o actividad metabólica.
Las toxinas de Shiga
(Stx) son una familia de proteínas estructural y funcionalmente relacionadas que
se expresan en Shigella
dysenteriae serotipo 1 y en varios serotipos de Escherichia coli. Mediante la secuenciación genómica se podría saber si se trata de Shigella (Figura 3) o de Escherichia y también mediante su uso de codón (4).
Figura 3. Shigella dysenteriae vista con microscopio electrónico.
Aplicaciones biomédicas
Dentro de este ámbito,
hay muchas aplicaciones, pero principalmente se dividen en dos grandes grupos:
el farmacológico y el preventivo.
Aplicaciones
farmacológicas
La secuenciación del
genoma bacteriano permite la identificación de receptores específicos sensibles
a los fármacos que estén implicados en funciones vitales en las bacterias
patógenas. Esta identificación posibilita el desarrollo de nuevos fármacos más
eficaces. También hay bacterias que secretan sustancias beneficiosas para los
seres humanos, por lo que la secuenciación de éstas, contribuiría a la mejora
de su producción y la identificación de nuevas rutas de producción. Es
importante que estos fármacos afecten a la actividad o al desarrollo de la
bacteria y que no afecten de manera negativa al organismo hospedador.
La aparición de más
bacterias en los hospitales que son resistentes
a antibióticos cada vez es más común. Por eso es importante conocer su
secuencia, para establecer un control sobre estas. Se ha descubierto la cepa
KpO3210 de Klebsiella pneumoniae (5) (Figura 4).
Esta cepa causa enfermedades infecciosas oportunistas y es capaz de sintetizar
carbapenemasa OXA_48 y betalactamasa CTX-M-15; dos enzimas específicas que le
confieren resistencia a todos los antibióticos beta-lactámicos (6), (7). Las
investigaciones se dirigen a encontrar algún gen que le proporcione la
capacidad de ser sensible a los antibióticos beta- lactámicos (Figura 5).
Aplicaciones preventivas
Las aplicaciones
preventivas o vacunas son métodos en los que la secuenciación del genoma
bacteriano, es un factor importante, ya que permite su modificación. Tras la transformación, las
bacterias se introducen en el organismo. Lo que genera una respuesta
inmunitaria que consiste en la generación de anticuerpos específicos para estas
bacterias modificadas potencialmente inactivas.
Actualmente se están
realizando análisis in silico para predecir los antígenos más probables
a ser candidatos vacunales. Para ello,
previamente se ha tenido que hacer la secuenciación del genoma bacteriano. El método se conoce como vacunología inversa
(8) (Figura 6). El primer organismo usado fue Neisseria meningitidis MC58 (Figura 7), una cepa
virulenta del serogrupo B. Se han hallado diferentes proteínas interesantes
como candidatos vacunales. El más destacado es GNA1870 (Genome Derived Antigens). GNA1870 es una proteína
de superficie capaz de inducir inmunidad protectora en animales de
experimentación. Ha sido expresada a altos niveles en el meningococo para producir una vacuna
basada en vesículas de membrana externa, donde este antígeno esté más
representado.
Figura 6. Esquema resume los pasos utilizados en la vacunología inversa.
Figura 7. Nisseria meningitidis visto con microscopio electrónico.
Aplicaciones biotecnología
Respecto a las
aplicaciones biotecnológicas tienen utilidad tanto para el consumo como para el
medio ambiente.
Bioremediación
La bioremediación
consiste en métodos de conservación del medio ambiente, que previamente ha
sufrido daños por efecto de contaminaciones antropológicas o naturales.
Consisten en la potenciación de bacterias que ayudan a reducir o a eliminar
estos efectos. Un buen ejemplo es Pseudomonas stutzer (9) (Figura 8), una
bacteria que ocupa gran diversidad de nichos ecológicos además de tener rutas
metabólicas aeróbicas como anaeróbicas. Es objeto de estudio de cara a
investigar posibles aplicaciones para resolver la contaminación por nitratos
existente en aguas potables, residuales o subterráneas (10).
Figura 8. Colonias de Pseudomonas stutzer en agar.
Figura 8. Colonias de Pseudomonas stutzer en agar.
También se ha conseguido
secuenciar el genoma de Sinorhizobium meliloti GR4 (Figura 9). Esta bacteria se
encuentra en los suelos de Granada y establece una simbiosis mutualista con las
leguminosas. El género Sinorhizobium es capaz de fijar el nitrógeno
atmosférico, favoreciendo que las plantas leguminosas puedan asimilarlo (11).
Otro caso parecido es el de la secuenciación del genoma de Rhizobium etli,
que fija el nitrógeno en la raíz del frijol.
La importancia del descubrimiento se debe a que se podría realizar la
fabricación de biofertilizantes, que son menos tóxicos que los fertilizantes
normales (12). Esto deriva en una mejor calidad de la planta a la hora de su
consumo y además se favorece a la sostenibilidad ambiental.
Figura 9. Sinorhizobium meliloti en la raíz de una leguminosa.
Bioindústria
En este ámbito las
aplicaciones son muy extensas ya que van desde la producción de alimentos hasta
la producción de biopolímeros o biocombustibles que sean viables para el
consumo humano.
En el caso de la
producción de alimentos, las bacterias fermentadoras como Lactobacillus
en la fermentación de lácticos. Es interesante el descubrimiento que se ha hecho
tras la secuenciación de Lactobacilus pentosus (13), en la cepa IG1, que se utiliza en la fermentación de
aceitunas verdes “estilo español” (Figura 10).
Lactobacilus pentosus IG1 tiene la capacidad de adaptarse a los cambios
ambientales. Además presenta genes que le confieren una mejor adhesión al
medio, lo que le confiere una resistencia mayor en condiciones de estrés. Esta
cepa se caracteriza por su alta producción de bactericinas. Todas estas
características hacen que sean buenos probióticos porque mejoran la inmunidad
de la mucosa intestinal y la resistencia contra patógenos (14).
Figura 10. Aceitunas verdes españolas fermentadas por Lactobacillus pentosus.
Se ha descubierto que la
cianobacteria Acaryochloris marina (Figura 11) es capaz de sintetizar clorofila d (Figura 12). La clorofila d absorbe una radiación
en la frontera entre la luz visible (roja) y los rayos infrarrojos. Este hecho
es muy relevante porque no tiene ningún competidor, ni otras bacterias ni
plantas además de tener un genoma muy sofisticado. Se investiga cuál es la
enzima que produce la síntesis de clorofila d, para poder generar
organismos que hiciesen la fotosíntesis
de forma más eficiente (15).
Figura 12. Científico con un matraz, en cuyo interior se encuentra la clorofila d.
Conclusión
Se
espera que con los avances tecnológicos y con ayuda de herramientas
bioinformáticas, se podrán
obtener la secuenciación de forma más eficaz y de una forma más
dirigida. Como por ejemplo, el aparato MinION (16), que permite
secuenciar el genoma de virus y bacterias a una velocidad el 150.000
bases de DNA por hora.
Alba Paramio García
Sufián Laharach
Gerard Romero
REFERENCIAS
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