Genomas microbianos y evolución del genoma
Genética microbiana
Es un campo fundamental que explora la herencia, la variación y la función de los genes en microorganismos como bacterias, arqueas, virus y algunos eucariotas unicelulares. A diferencia de los genomas eucariotas, los genomas microbianos son generalmente más pequeños y compactos, con una alta densidad de genes codificantes. Esta simplicidad relativa facilita el estudio de procesos genéticos básicos, como la replicación o la expresión génica, y ofrece un modelo ideal para entender la evolución a nivel molecular.
Tamaño y Contenido de los Genomas Microbianos
El genoma de un organismo es la totalidad de su información genética. La secuencia genómica de un organismo no solo pone de manifiesto sus genes, también nos ofrece importantes pistas acerca de cómo funciona dicho organismo y de su historia evolutiva.
El cromosoma bacteriano, aunque tradicionalmente se considera una única molécula circular de ADN, puede presentarse de formas diversas. Algunas bacterias tienen genomas multipartitos, con múltiples cromosomas y elementos genéticos adicionales, como los plásmidos. Estos últimos son moléculas de ADN extracromosómico autorreplicantes, generalmente circulares, que suelen contener menos genes que el cromosoma principal.
La palabra genómica se refiere a la disciplina encargada de mapear, secuenciar, analizar y comparar los genomas. El primer genoma bacteriano se publicó en 1995 y fue el cromosoma de Haemophilus influenzae, de 1.830.137 pares de bases.
Los genomas de las bacterias y arqueas varían considerablemente en tamaño, desde aproximadamente 130 kbp hasta más de 14 Mb. En los procariotas, el tamaño del genoma está correlacionado con el número de genes: cada megabase de ADN codifica aproximadamente 1,000 marcos de lectura abiertos (ORFs). Esto significa que, a medida que aumenta el tamaño del genoma procariótico, también lo hace proporcionalmente el número de genes, en contraste con los eucariotas, donde una gran parte del genoma puede ser ADN no codificante.
Especie | Tamaño del genoma (Mb) | Número de genes |
|---|---|---|
Mycoplasma genitalium | 0.58 | 470 |
Rickettsia prowazekii | 1.11 | 834 |
Haemophilus influenzae | 1.83 | 1,743 |
Methanococcus jannaschi | 1.66 | 1,738 |
Bacillus subtilis | 4.2 | 4,100 |
Escherichia coli | 4.6 | 4,288 |
Lewin’s GENES XII | 13.5 | 6,043 |
Información de Lewin’s GENES XII
Genomas pequeños
Los genomas celulares más pequeños pertenecen a procariotas parásitos o endosimbiontes (células que viven dentro de otras células). Todos los genomas menores de 1.2 Mb se encuentran en bacterias que dependen de otras células para algunos aspectos de su existencia por lo que muestran una reducción significativa en genes para metabolismo y regulación. Los micoplasmas, con genomas de poco más de 500 kb y algo menos de 500 genes, tienen los genomas más pequeños entre las bacterias parásitas.
El análisis de las secuencias genómicas puede proporcionar respuestas a preguntas biológicas fundamentales. Por ejemplo, ¿cuántos genes son necesarios para que una célula exista? El número mínimo de genes para un procariota parásito es de alrededor de 500; para un procariota no parásito de vida libre, es de alrededor de 1400 a 1500. Utilizando Mycoplasma, que tiene unos 500 genes, como punto de inicio, se ha estimado que alrededor de 250 a 300 genes son los mínimos para que una célula sea viable.
Las arqueas tienen propiedades biológicas intermedias entre otros procariotas y eucariotas, pero el tamaño de sus genomas y el número de genes se encuentran en el mismo rango que los de las bacterias. El tamaño de sus genomas varía de 1,5 a 3 Mb, lo que corresponde a entre 1500 y 2700 genes.
Genomas grandes
Si bien es cierto que los genomas más grandes suelen contener más genes, esta relación no siempre es directa. Algunos procariotas, a pesar de tener genomas más pequeños, pueden superar en número de genes a ciertos eucariotas. Esto se debe a que los genomas eucariotas suelen contener una proporción significativa de ADN no codificante, a diferencia de los procariotas.
Un ejemplo de esta situación lo encontramos en bacterias fijadoras de nitrógeno como Sinorhizobium meliloti y Mesorhizobium loti, cuyos genomas (alrededor de 7 Mb) y número de genes (más de 7500) son similares a los de levaduras. Incluso, algunas bacterias como Bradyrhizobium japonicum pueden tener más genes (9,1 Mb y 8300 genes) que algunos eucariotas como la levadura Saccharomyces cerevisiae (12,1 Mb y 5800 genes).
Sorangium cellulosum tiene uno de los genomas procariotas más grandes, con más de 12.3 Mb, tiene una proporción relativamente grande de DNA no codificante (14,5 %) para ser una bacteria, y consecuentemente tiene menos secuencias codificantes (solo 9.400) que las que cabría esperar. No obstante, tiene más ADN que varios eucariotes como las levaduras o los protozoos Cryptosporidium y Giardia.
Evolución del genoma
La comparación de genomas ha permitido entender cómo funcionan los genes y cómo interaccionan los organismos con el ambiente, así como ha identificar genes esenciales. Además, la genómica puede poner de manifiesto relaciones evolutivas entre los organismos.
La evolución del genoma bacteriano es un proceso dinámico impulsado por:
Familias génicas
Las familias génicas son grupos de genes que comparten una secuencia similar y, por lo tanto, un origen evolutivo común. Estos genes, también llamados homólogos, pueden surgir por duplicación de un gen ancestral, resultando en copias que pueden divergir en función a lo largo del tiempo.
Dentro de las familias génicas, se pueden distinguir dos tipos principales de homólogos:
Conclusiones
Los genomas microbianos son altamente dinámicos y están en constante evolución, adaptándose a las presiones ambientales y a los cambios en el estilo de vida. La duplicación génica, la transferencia horizontal de genes y la pérdida de genes son mecanismos importantes que impulsan la evolución de los genomas bacterianos.
El estudio de la genética microbiana nos proporciona una visión profunda de la biología básica y de los procesos evolutivos, y es esencial para entender la diversidad de la vida en la Tierra.
