El intercambio genético bacteriano esta tipificado por la transferencia de fragmentos relativamente pequeños de genoma donador a una célula receptora, seguida de su recombinación genética. La recombinación genética bacteriana es muy diferente a la fusión de los gametos observados en las células eucariotas; demanda que este DNA donador se replique en el organismo recombinante. La replicación puede lograrse a través de la integración del DNA donador en un cromosoma del receptor o mediante el establecimiento de DNA donador como un replicón independiente.

MECANISMOS DE TRANSFERENCIA GÉNICA

La composición del DNA de los microorganismos puede ser notablemente fluida. El DNA puede transferirse de un organismo a otro, y dicho DNA puede incorporarse de manera estable en el receptor, modificando de manera permanente su composición genética. Este proceso se denomina transferencia génica lateral u horizontal para diferenciarla de la herencia proveniente de genes paternos, un proceso conocido como herencia vertical. Los tres mecanismos amplios que median el desplazamiento eficiente del DNA entre las células son: conjugación, transducción y transformación.

A. CONJUGACIÓN

Los plasmidos son los elementos genéticos que mas a menudo setransfieren por conjugación. Las funciones genéticas necesarias para la transferencia estan codificadas por los genes tra, que son transportados por plasmidos autotransmisibles. Estos últimos pueden movilizar otros plasmidos o porciones del cromosoma para su transferencia. En algunos casos se logra la movilización porque los genes tra proporcionan lasfunciones necesarias para la transferencia de un plasmido por lo demas no susceptible de transmisión. En otros casos, los plasmidos autotransmisibles se integran con el DNA de otro replicón y, como una extensión de sí mismo, portan cadenas de DNA a la célula receptora.
El analisis genético de E. coli avanzó en gran medida al dilucidar los factores de fertilidad que portaban los plasmidos designados como F+. Este plasmido confiere ciertas características del donador a las células; tales características incluyen una pilosidad sexual, extrusión de proteínas multiméricas extracelulares que se unen a las células del donador al organismo receptor que carece de factor de fertilidad. Un puente entre las células permite que una cadena de plasmido F+, sintetizada por el donador, pase hacia el receptor, donde se forma una cadena de DNA complementario. El factor de fertilidad F+ puede integrarse en numerosos loci en los cromosomas de las células donadoras. El factor de fertilidad integrado crea donadores con recombinaciones de alta frecuencia (HFR, high frequency recombination) en la cual se transfiere DNA cromosómico (del sitio de inserción) en una dirección determinada por la orientación de la inserción.
La tasa de transferencia cromosómica de las células Hfr es constante y la compilación de resultados de muchos experimentos de conjugación ha permitido la preparación de un mapa genético de E. coli, en el cual se mide la distancia entre los loci en el número de minutos necesarios para la transferencia en la conjugación. Se ha construido un mapa similar para coliformes relacionadas como Salmonella typhimurium y de lacomparación de los dos mapas se han mostrado patrones relacionados en la organización génica.
Los procedimientos analogos con otros plasmidos han permitido a los investigadores crear mapas de cromosomas circulares de miembros de géneros bacterianos distantes; p. ej., los plasmidos de resistencia a farmacos, conocidos como factores R, que pueden favorecer la transferencia cromosómica de diversas bacterias, lo que incluye Pseudomonas sp., la comparación de mapas cromosómicos de Pseudomonas aeruginosa y Pseudomonas putida muestra que unas cuantas disposiciones genéticas, aunque significativas, acompañan a la divergencia de estas dos especies con relación estrecha. Los mapas de Pseudomonas tienen poco en común con aquellos de bacterias coliformes distantes desde el punto de vista biológico.
La integración del DNA cromosómico en un plasmido de conjugación puede producir un replicón recombinante —un cebador F (de fertilidad) o R (de resistencia), lo que depende del plasmido— en el cual el DNA cromosómico integrado puede replicarse en el plasmido de manera independiente del cromosoma.
Esto ocurre cuando el plasmido integrado (p. ej., F) es rodeado por dos copias de un elemento IS. Las bacterias que portan copias de genes, un grupo completo de cromosomas y un grupo parcial de cebadores, son parcialmente diploides o merodiploides y son útiles para estudios de complementación. Un gen silvestre con frecuencia se complementa con un homólogo mutante y la selección de un fenotipo silvestre puede permitir el mantenimiento de merodiploides en el laboratorio. Es posible que tales cepas permitan el analisis deinteracciones entre los diferentes alelos, variantes genéticas del mismo gen. Los merodiploides con frecuencia son inestables desde el punto de vista genético porque las recombinaciones entre los plasmidos y el cromosoma homólogo pueden ocasionar pérdida o cambio del mutante o alelos de tipo silvestre. Este problema a menudo se supera al conservar los merodiploides en un entorno genético en el cual se haya inactivado por mutación del gen recA, que es necesario para la recombinación entre segmentos homólogos de DNA.
Los genes homólogos de diferentes organismos pueden ser divergentes en un area tal que evite la recombinación homóloga entre ellos, pero que no se altere la capacidad de un gen para complementar la actividad perdida de otro. Por ejemplo, el origen genético de una enzima necesaria para la biosíntesis de un aminoacido probablemente no influya la actividad catalítica en el citoplasma de un hospedador distante desde el punto de vista biológico. Un merodiploide que porta un gen para tal enzima podría estar rodeado por genes derivados del organismo donador. Por tanto, la genética microbiana convencional, con base en la selección de plasmidos cebadores, puede utilizarse para aislar genes de un organismo de crecimiento lento para utilizarse en E. coli o P. aeruginosa. La importancia de esta tecnología yace en su capacidad para simplifi car o evitar procedimientos relativamente costosos necesarios por los métodos de ingeniería genética.

B. TRANSDUCCIÓN

La transducción es una recombinación genética en las bacterias mediada por bacteriófagos. En términos simples, una partícula de transducción puedeconsiderarse como el acido nucleico bacteriano en un fago cubierto. Incluso una población de fagos líticos puede contener algunas partículas en las cuales la cubierta del fago esta rodeada por DNA derivado de la bacteria mas que del propio fago. Tal población se ha utilizado para transferir genes de una bacteria a otra. Los fagos atemperados son los vehículos preferidos para la transferencia génica porque la infección de las bacterias receptoras bajo condiciones que favorecen la lisogenia reduce la lisis celular y por tanto favorece la supervivencia de las cepas recombinantes. Ademas, la bacteria receptora porta un poro fago apropiado que puede formar un represor que a su vez da origen a inmunidad celular contra la infección lítica; tales células pueden aún captar DNA bacteriano a partir de partículas de transducción. Las mezclas de transducción portan DNA donador que puede prepararse bajo condiciones que favorecen el ciclo del fago lítico.
El tamaño del DNA en las partículas de transducción por lo común constituye un pequeño porcentaje del cromosoma bacteriano y por tanto la cotransducción (transferencia de mas de un gen a la vez) se limita a los genes bacterianos vinculados. Este proceso es de particular utilidad para el mapeo de genes que se encuentran demasiado cercanos para ser colocados en un mapa ordenado utilizando el método de transferencia de conjugación.
Los fagos mutantes pueden identificarse con base en la morfología de la placa que forman por lisis de un grupo de bacterias que crecen en agar solidificado.
Las islas de patogenicidad a menudo son transportadas por fagos. Por ejemplo, dos fagostransportan islas de patogenicidad que son las causantes de convertir una forma benigna de Vibrio cholerae en una forma patógena causante del cólera epidémico. Estos fagos codifican genes para la toxina del cólera y para la formación de pilosidades cuya función es la fi jación de la bacteria.
La velocidad con la cual los fagos se recombinan y se replican los ha hecho objetos centrales para el estudio de este proceso, y muchas generalizaciones relacionadas con el mecanismo subyacente han surgido de la genética de los fagos. La capacidad de los fagos para producir réplicas rapidas de su propio DNA los hace de gran utilidad para la ingeniería genética. De particular utilidad son los fagos recombinantes modificados genéticamente de forma tal que contienen inserciones de DNA de otra fuente biológica. El DNA insertado puede replicarse con la rapidez que caracteriza a los fagos de DNA y se recuperan en una forma útil para su manipulación. El DNA monocatenario, producido por el fago M13 y por sus derivados, actúa como plantilla para el secuenciamiento y mutagénesis a sitios dirigidos.




C. TRANSFORMACIÓN

La captación directa de DNA donador por bacterias receptoras depende de su competencia para la transformación. La competencia natural es poco común entre bacterias y algunas de estas cepas son transformables sólo en presencia de factores de competencia, que se producen en un punto específico en el ciclo de crecimiento. Otras cepas sufren transformación natural con rapidez y esos organismos ofrecen una promesa para la ingeniería genética por la facilidad con la cual incorporan DNA modificado a suscromosomas. Se encuentran bacterias transformables competentes naturalmente en varios géneros, lo que incluye Bacillus subtilis, Haemophilus infl uenzae, Neisseria gonorrhoeae, Neisseria meningitidis y Streptococcus pneumoniae.
Los fragmentos de DNA que contienen genes de tales organismos pueden ser identificados con facilidad con base en su capacidad para transformar células mutantes hacia un tipo silvestre. Estas técnicas representan un avance sustancial sobre los procedimientos laboriosos utilizados por Avery et al para demostrar que el principio de transformación del neumococo era el DNA.
La transformación genética se reconoció como la fuerza principal en la evolución microbiana. La transformación natural es un proceso activo que demanda proteínas específicas producidas por la célula receptora. Para Neisseria y Haemophilus sp son necesarias secuencias específicas de DNA (secuencias de captación) para la captación de DNA. Tales secuencias de captación son específicas y por tanto restringen el intercambio genético a una sola especie. El DNA que no se incorpora debe degradarse y utilizarse como fuente de nutrientes para sostener el crecimiento microbiano.
La mayor parte de las bacterias son incapaces de sufrir transformación natural. En tales casos la transformación puede ser forzada mediante tratamiento con cloruro de calcio y choque térmico. La transformación con plasmidos recombinantes de ingeniería genética mediante este procedimiento es la base de la biología molecular moderna porque permite que DNA de diversos orígenes biológicos se establezca como parte de replicones bacterianos bien identificados.