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Contenido principal

La reproducción de los procariontes y la biotecnología

Cómo se reproducen los procariontes por fisión binaria. El uso de las bacterias E. coli en la biología molecular.

Puntos más importantes:

  • Los procariontes (bacterias y arqueas) se reproducen por fisión binaria. La mayoría de los procariontes se reproducen con rapidez.
  • Las bacterias E. coli son ampliamente utilizadas en biología molecular debido a su genética sencilla y su crecimiento rápido.
  • En el laboratorio, puede transferirse un gen a la bacteria E. coli dentro de una pequeña molécula de ADN circular llamada plásmido. El plásmido entra en la bacteria por medio de un proceso llamado transformación.
  • Las bacterias E. coli transformadas pueden utilizarse para producir varias copias del plásmido. En algunos casos también expresarán el gen dentro de este y sintetizarán las proteínas.

Introducción

Digamos que tienes una bacteria. ¿Cómo puedes obtener más bacterias idénticas? ¿Qué tan rápido puedes conseguirlas? Y, lo más importante, ¿por qué querrías tener un montón de bacterias idénticas?
Vayamos primero a la última pregunta: algunas bacterias, en particular Escherichia coli (E.coli), son ampliamente utilizadas en los laboratorios de biología. Ahí, sirven como pequeñas "fábricas" que producen muchas copias de una molécula de ADN que nos interese o bien, muchas moléculas de una proteína que necesitemos (como la insulina que usan los diabéticos para controlar su azúcar en la sangre). Mientras más bacterias haya, mayor será la cantidad de ADN o proteínas que se pueden producir.
Hay dos características que hacen que E. coli sea muy útil en el laboratorio: su reproducción rápida y su generación de clones o bacterias genéticamente idénticas. Demos un vistazo rápido a la reproducción de E.coli y otros procariontes. Luego veremos sus aplicaciones en la biotecnología.

¿Cómo se reproducen los procariontes?

Los procariontes se reproducen mediante un proceso de división celular llamado fisión binaria. Como la mitosis en los eucariontes, este proceso implica copiar el cromosoma y separar una célula en dos.
La fisión binaria es una forma de reproducción asexual, lo que significa que no implica la producción de óvulos y espermatozoides o la mezcla de material genético de dos individuos. A excepción de los casos en los que ocurren mutaciones, o cambios en la secuencia de ADN, la fusión binaria produce células hijas que son genéticamente idénticas a la célula madre.
Aprende más acerca de los pasos de este proceso en el artículo sobre fisión binaria en la sección de división celular.

¡Los procariontes se reproducen con rapidez!

En general, los procariontes se reproducen mucho más rápido que los eucariontes multicelulares. Esto se puede medir en términos de tiempo de generación, esto es, el tiempo que pasa desde el nacimiento de una generación hasta el nacimiento de la siguiente.
Para los humanos, el tiempo de generación típico sería de alrededor de 20 años. Para una bacteria típica, ¡sería de aproximadamente 20 minutos! De hecho, las bacterias E. coli que viven dentro de tu intestino y que son ampliamente utilizadas en la investigación en laboratorio, pueden producir una nueva generación más o menos cada 17 minutos1.
No todas las bacterias son tan rápidas. Algunas de las más patógenas, como Mycobacterium tuberculosis, tienen un tiempo de generación mayor a 12 horas1. Aun así, los procariontes en general se reproducen velozmente, por lo que sus poblaciones crecen con mucha rapidez, ya sea en un ambiente natural o, en algunos casos, dentro de un tubo de ensayo en un laboratorio.

Las bacterias en la biología molecular

Las bacterias que se reproducen rápidamente y son fáciles de cultivar en el laboratorio son buenos modelos para varios estudios científicos. E. coli, por ejemplo, es uno de los organismos más ampliamente utilizados en la investigación biológica.
Aunque puede que hayas escuchado que E. coli es un contaminante de los alimentos, las cepas inofensivas de E. coli se usan en los laboratorios del mundo entero. De hecho, muchos procesos biológicos fundamentales, como el mecanismo de replicación del ADN, se descubrieron por primera vez en E. coli.

Las bacterias E. coli como fábricas de ADN y proteínas

Hoy en día, se usa a las E. coli como "fábricas" en miniatura para sintetizar ADN o proteínas. Los investigadores pueden insertar un gen de su interés dentro de las células de E. coli mediante un proceso llamado transformación (absorción del ADN que se encuentra en el ambiente), el cual se describe con más detalle en el artículo sobre variación genética en procariontes. En dichos experimentos, el gen de interés por lo general va dentro de un fragmento circular de ADN llamado plásmido, que la bacteria puede copiar y pasar a sus descendientes.
Una vez que las células de E. coli tienen el plásmido con el gen que nos interesa, lo copiarán y transmitirán cada vez que se dividan, lo que produce muchas copias del ADN plasmídico. Si el plásmido tiene las secuencias de control necesarias, también puede hacer que E. coli transcriba y traduzca el gen de interés y produzca su proteína. Por ejemplo, la mayoría de la insulina que usan los diabéticos es producida por medio de esta estrategia en células de E. coli.

Pasos de la transformación

En un experimento de transformación típico, primero se inserta el gen diana (ADN color azul, en la ilustración de arriba) en un plásmido. Además del gen diana, el plásmido lleva un gen que codifica para la resistencia a un antibiótico particular (ADN rojo). Si el objetivo es usar las bacterias para sintetizar proteínas a partir de un gen, el plasmido tendrá también una secuencia de control o promotor (ADN verde) que le permita al gen diana expresarse en la bacteria.
Cuando las copias de los plásmidos se mezclan con las células de E. coli y se les da un choque térmico a las bacterias (se las expone brevemente a altas temperaturas), una parte de ellas incorporará el plásmido. Luego, se siembran todas las E. coli en cajas con un medio de cultivo que tiene nutrientes y el antibiótico. El propósito del antibiótico es hacer que solo sobrevivan y crezcan las bacterias que tienen el plásmido.
El antibiótico matará a las E. coli que carezcan del plásmido. Las E. coli que lo presenten, sobrevivirán y se reproducirán (gracias al gen con resistencia al antibiótico que tiene el plásmido). Cada célula resistente formará una colonia de células genéticamente idénticas, que en el medio de cultivo se ve como un pequeño punto. Una colonia resistente al antibiótico puede ser analizada (se usan otros métodos de verificación para confirmar que tiene el plásmido correcto) y luego cultivada para producir una gran cantidad de bacterias idénticas que tengan el plásmido.
¿Para qué sirve un gran cultivo de bacterias que tengan el plásmido? A veces los investigadores necesitan muchas copias del ADN plasmídico para usarlas en otro experimento y pueden obtenerlo del cultivo. Por otra parte, si el plásmido contiene el promotor adecuado, se puede inducir (dar la orden) a las bacterias a expresar el gen y sintetizar la proteína. Esta técnica se usa para producir algunas proteínas de importancia médica como la insulina y la hormona del crecimiento humana.

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