Genética bacteriana

Prof. Adj. Ary Fernandes Junior

Departamento de Microbiologia e Imunologia

IBB/UNESP

ary@ibb.unesp.br

Genes pertencentes a uma determinada célula de um organismo podem ser inseridos e expressos em células de outro organismo.

Células geneticamente modificadas podem ser utilizadas para produzir uma grande variedade de produtos úteis.

Replicação do DNA

Replicação bidirecional de uma molécula circular de

DNA bacteriano

Bactérias: Onde encontramos genes?????????

DNA Bacteriano, Plasmídios Replicons

DNA Fágico Transposons

Variações Temporárias (Sem alterações no genoma) (Alterações Fenotípicas)

- Produção de beta galactosidase quando tem lactose no meio (regulação gênica)

Fisiológicas

-Serratia marcescens: 37º C – sem pigmento; 25º C – vermelhas,

-Bacillus sphaericus: 2% peptona (células vegetativas) 0,1% peptona (esporos)

- Azomonas x sacarose x cápsula

Morfológicas

Variações Permanentes Com alterações no genoma)

(Alterações genotípicas)

DNA externo = DNA Exogenoto

-Transformação;

- Conjugação;

- Transdução

Mutação e Recombinação Genética

Ahmed ety al. Nature Reviews Microbiology 6, 387-394 (May 2008)

A absorção de elementos genéticos móveis (fagos, plasmídeos de virulência, ilhas de patogenicidade), e perda de porções de DNA-cromossômico em linhagens distintas de E. coli, possibilitou surgimento de clones

de diferentes patotipos de E. coli associados a sintomas de doenças específicas. LEE - locus of enterocyte effacement; PAIs - pathogenicity island; pEAF - enteropathogenic E. coli adhesion

factor plasmid; pENT- enterotoxin-encoding plasmids; Stx - Shiga-toxin-encoding bacteriophage.

(ETEC – Enterotoxigênica E. coli)

(EIEC – Enteroinvasiva E. coli)

(UPEC-Uropatogênica E. coli)

(EPEC – Enteropatogênica E. coli)

(EHEC – Enterohemorrágica E. coli) (atualmente já se fala em STEC)

E. coli comensal

Plasmídeos Ilhas de patogenicidade

Outras E. coli -APEC -NMEC, -STEC, etc

1. População de uma

bactéria em processo de

multiplicação

minutos , horas, dias, meses

tempo

2. Processo de crescimento e

divisão produzem naturalmente

células mutantes

3. População continua multiplicação,

e originando ocasionalmente, mais

células mutantes

Células são expostas a

um composto

antimicrobiano

Pressão seletiva

4. Células são mortas ou impedidas de

multiplicação pela antimicrobiano com

exceção dos mutantes resistentes ao

antimicrobiano específico.

5. Os mutantes continuam com o

crescimento na presença do

antimicrobiano e iniciam dispersão pelo

ambiente

Variação permanente resultante de Mutação

Mutação cria variação

Mutação desfavorável é selecionada contra

Ocorre reprodução e mutação

Com a mutação favorável é provável que o mutante

sobreviva...

....e se reproduza

Variação permanente resultante de Mutação

Variação permanente resultante de Recombinação Genética

1. Duas populações bacterianas A e B

crescem em um mesmo ambiente. A

espécie B é resistente a droga X.

2. Troca de DNA (elementos genéticos

móveis) ocorre entre células em baixa

frequência.

3. Células da espécie A recebem o gen de

resistência a droga X, presente no

elemento genético móvel da espécie B.

Pressão seletiva

Bactérias são

expostas a droga X. 4. Na presença da droga X, as células da

espécie A que receberam gen da

resistência da espécie B são capazes de

multiplicar-se enquanto que as células

originalmente sensíveis não multiplicam-

se.

“Alteração brusca no material genético” “Alteração hereditária em uma sequência de bases do DNA”

Mutante

Natural (10-6 a 10-10 ) Adquirida ou Induzida (Agentes Físicos e Químicos)

MUTAÇÃO

Klebsiella pneumoniae (Aspecto mucóide (molhado)

de colônias) Variação S R

Variação S (Smooth) R (Rough) em Klebsiella pneumoniae por mutação

Modelo um passo (“one step”) (apenas um gen envolvido)

ex. estreptomicina

Modelo vários passos (“multi step”) (vários genes envolvidos)

ex. penicilina

Resistência à drogas antimicrobianas por mutação (Tipo Cromossômica)

“Moléculas distintas de DNA são combinadas numa mesma molécula, graças a um processo físico de quebra e ligação

destas moléculas”

RECOMBINAÇÃO GENÉTICA: Doadora Receptora

DNA externo = DNA Exogenoto Destinos possíveis (??????)

TRANSFORMAÇÃO (Griffith-1928) (Reversão Pneumocócica (R S) (Rough – Smooth)

“Incorporação de DNA solúvel” (Lise ou Liberação Espontânea)

(Plasmídeos são passíveis de transferência também)

Condições para ocorrer a transformação

DNA homólogo,

Dupla fita e PM elevado (105 a 107),

Meio sem DNAase

(DNA solúvel, Qualquer momento, Determinado estágio do

ciclo celular, Condições Especiais)

Bactéria Receptora em Estado de Competência Fisiológica

Transformação

CONJUGAÇÃO (Tatum e Lederberg - 1947 - E.coli)

“Transferência através de comunicação entre as duas bactérias”

(Unidirecional)

Pili (Gram negativa) Ponte de conjugação

(Gram positiva)

Conjugação de Gram negativa

Enterococcus faecalis pheromone-responsive conjugative system. Pheromone A released from the potential recipient cell (right) interacts with plasmid A in the potential donor cell (left)

to induce synthesis of aggregation substance. Attachment of aggregation substance to binding substance causes the cells to clump into visible aggregates. Once the pheromone-responsive plasmid A has transferred from donor to

recipient cell, synthesis of pheromone A is shut off.

Doadora Receptora

Conjugação de Gram positiva

Adaptado de Murray, B.E. (1998)

Processo mediado por Plasmídeos (Ex. Plasmídeo R=Resistência à drogas, F=Fertilidadede, Virulência,

Metabólico, Col, Críptico, etc)

Obs. DNA cromossômico também pode ser transferido durante a conjugação.

Plasmídeo R = Plasmídeo tipo conjugativo

Obs. Possivel perda do fator de resistência (“Cura”) (Repiques frequentes, uso de substâncias químicas, etc)

TRANSDUÇÃO ( Zinder e Lederberg - 1952)

Transferência (DNA bacteriano e Plasmídios) ocorre por meio de um vírus (Bacteriófago)

Um fago infecta a célula bacteriana doadora

O DNA e proteínas do fago são produzidos, e o DNA bacteriano quebrado em fragmentos.

Ocasionalmente, durante a montagem do fago, fragmentos do DNA bacteriano são empacotados no capsídeo do fago. Então a célula doadora é lisada e as partículas de fago são liberados.

Um fago carreando o DNA bacteriano infecta a nova célula hospedeira, a célula receptora.

A recombinação pode ocorrer, produzindo uma célula recombinante com um genótipo diferente da célula doadora e da célula receptora.

Ciclo Lítico (vírus virulento)

Ciclo Lisogênico (vírus temperado)

Transposon Genes Saltadores, Elementos Móveis ou “Jumping genes”

Codificam Resistência a Drogas, Síntese de Toxinas e

Enzimas Degradantes.

Encontrados tanto em DNA cromossômico como em

Plasmídios

Tem sequência (de Inserção) que codifica enzima

Transposase (Transposição )

Interfere com sequência linear do gene

Mutação, Inativação ou Quebra;

Interação entre DNA e Proteínas Reguladoras Regulam síntese de RNAm e Atividade de enzimas

específicas

Regulação da Expressão Gênica

Evitar síntese desnecessária de metabólitos, desperdício energético, acúmulo intracelular

de metabólitos tóxicos.

(Ex. Operon Lac em E.coli ( Operon indutível); Operon Trp de E. coli (Operon repressível)

Operon Lac de E. coli (Operon indutível)

Operon Lac de E. coli (Operon indutível)

Operon Lac de E. coli (Operon indutível)

Operon Trp de E. coli (Operon repressível)

Operon Trp de E. coli (Operon repressível)

Operon Trp de E. coli (Operon repressível)