Mutación, Reparación y Recombinación en Bacterias

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En las células bacterianas, la integridad del ácido desoxirribonucleico es esencial para la supervivencia, el crecimiento y la reproducción. La duplicación precisa del ADN asegura que la información genética se transmita fielmente a la descendencia, manteniendo la continuidad de las funciones celulares y los rasgos adaptativos. Sin embargo, la maquinaria molecular encargada de la replicación del ADN no es infalible; pueden producirse errores espontáneos durante la polimerización, y la molécula de ADN también es susceptible a daños accidentales de origen químico o físico. Estas amenazas requieren la existencia de mecanismos de reparación robustos, aunque incluso con estas salvaguardas, persisten alteraciones en el material genético, conocidas como mutaciones.

Las mutaciones en bacterias pueden ocurrir de manera espontánea o ser inducidas por factores ambientales. Las mutaciones espontáneas suelen originarse por errores de la ADN polimerasa durante la replicación. Aunque la frecuencia de estos errores es baja, tienen un impacto biológico importante, pues incluso cambios raros pueden alterar la función de proteínas o elementos reguladores. Algunas mutaciones son perjudiciales, comprometiendo la viabilidad o función bacteriana, mientras que otras son efectivamente neutras. Sin embargo, un subconjunto de mutaciones puede conferir ventajas selectivas en condiciones específicas, como exposición a antibióticos, defensas inmunitarias o estrés ambiental extremo, contribuyendo así a la evolución adaptativa.

Los agentes ambientales que inducen mutaciones pueden clasificarse como físicos o químicos. Entre los mutágenos físicos se encuentran las altas temperaturas, que promueven la desaminación de las bases nucleotídicas; la luz ultravioleta, que induce la formación de dímeros de pirimidina por enlaces covalentes entre residuos adyacentes; y la radiación ionizante, como los rayos X, que generan radicales hidroxilo altamente reactivos capaces de causar rupturas de una o ambas hebras del ADN o modificar la estructura química de los nucleótidos.

Los mutágenos químicos actúan mediante distintos mecanismos. Los análogos de bases, como la 5-bromouracilo, imitan nucleótidos naturales pero pueden aparearse incorrectamente durante la replicación, convirtiendo pares A-T en pares G-C. Los agentes intercalantes, como el bromuro de etidio y otros compuestos aromáticos planos, se insertan entre los pares de bases apiladas, provocando mutaciones por desplazamiento del marco de lectura mediante la adición o eliminación de nucleótidos. Los químicos reactivos con el ADN, incluidos el ácido nitroso y agentes alquilantes como la nitrosoguanidina o el metanosulfonato de etilo, modifican la estructura química de las bases, lo que puede resultar en apareamientos anormales, pérdida de bases o inestabilidad de las hebras.

Para contrarrestar el daño al ADN, las bacterias han desarrollado una amplia variedad de sistemas de reparación orientados a preservar la integridad genómica. Estos mecanismos incluyen vías de reparación por escisión, que eliminan y reemplazan nucleótidos dañados, y reparación por recombinación, que reconecta hebras de ADN rotas utilizando secuencias homólogas como plantilla. Si bien los sistemas de reparación suelen restaurar la secuencia original, algunas reparaciones introducen mutaciones que sirven como fuente de variabilidad genética.

Además, las bacterias poseen sofisticados mecanismos de defensa frente a elementos genéticos extraños. Uno de los más destacados es el sistema de Repeticiones Palindrómicas Cortas Agrupadas y Regularmente Interespaciadas, acoplado a proteínas asociadas a CRISPR. Este sistema permite a la bacteria reconocer secuencias de bacteriófagos o plásmidos invasores y cortarlas selectivamente mediante nucleasas Cas. Al almacenar fragmentos de ADN extraño en el arreglo CRISPR, las bacterias crean una forma de inmunidad adaptativa, evitando la integración de secuencias potencialmente dañinas. Más allá de su función natural, este sistema ha sido adaptado en biotecnología como una herramienta precisa para la edición del genoma, permitiendo la sustitución o modificación dirigida de genes en diversos organismos.

Terminología de Mutaciones en Bacterias

La comprensión precisa de los tipos de mutaciones es esencial para interpretar cómo las alteraciones en el ADN afectan la función genética y la evolución bacteriana. Cada mutación puede diferir en su magnitud, impacto sobre la proteína codificada y consecuencias para la célula:

Transición: Se refiere a un cambio de base único en el que una purina (adenina o guanina) es reemplazada por otra purina, o una pirimidina (citosina o timina) es reemplazada por otra pirimidina. Este tipo de mutación altera el par de bases pero mantiene la estructura general de la molécula de ADN.

Transversión: Consiste en la sustitución de una purina por una pirimidina o viceversa. Este cambio provoca una alteración más significativa en la estructura de la doble hélice debido a la diferencia de tamaño entre purinas y pirimidinas.

Mutación silenciosa: Es un cambio de nucleótido que no altera el aminoácido codificado en la proteína. Esto es posible porque el código genético es degenerado, es decir, varios codones pueden especificar el mismo aminoácido.

Mutación con cambio de sentido (missense): Ocurre cuando un cambio de nucleótido da lugar a un aminoácido diferente en la proteína.

Mutación conservativa: El aminoácido nuevo posee propiedades químicas o físicas similares al original, por ejemplo, la sustitución de alanina por valina, lo que puede minimizar el impacto funcional en la proteína.

Mutación sin sentido (nonsense): Se produce cuando un codón que codifica un aminoácido se convierte en un codón de terminación, como TAG, provocando que el ribosoma se desprenda del ARNm y se interrumpa prematuramente la síntesis proteica.

Mutaciones condicionales: Incluyen, por ejemplo, mutaciones sensibles a la temperatura, que alteran la estructura o función de proteínas críticas solo bajo condiciones específicas, como temperaturas elevadas. Estas mutaciones suelen ser conservativas en cuanto al tipo de aminoácido, pero afectan la estabilidad o actividad de la proteína bajo ciertas condiciones.

Mutación por cambio de marco de lectura (frameshift): Consiste en inserciones o deleciones pequeñas que no son múltiplos de tres nucleótidos, lo que desplaza el marco de lectura del ARNm. Esto generalmente produce proteínas no funcionales y truncadas de manera prematura debido a la lectura errónea de todos los codones subsecuentes.

Mutaciones nulas (null): Son mutaciones que destruyen completamente la función de un gen. Pueden ocurrir mediante inserciones extensas, deleciones grandes o reordenamientos cromosómicos significativos, como la incorporación de secuencias largas de ADN mediante recombinación, transposición o ingeniería genética. Estas alteraciones separan regiones esenciales de un gen, inactivándolo por completo.

Mecanismos de Reparación del ADN Bacteriano

Las bacterias cuentan con una variedad de sistemas especializados para reparar el ADN dañado, asegurando la estabilidad genómica y la supervivencia frente a agentes internos o externos que comprometan la integridad de la información genética. Estos mecanismos se pueden clasificar según la forma en que reconocen y corrigen el daño:

Reparación directa del ADN: Este mecanismo elimina enzimáticamente los nucleótidos dañados sin necesidad de eliminar segmentos completos de la cadena. Por ejemplo, enzimas específicas pueden reparar dímeros de pirimidina formados por radiación ultravioleta o bases alquiladas, restaurando la secuencia original sin alterar el resto de la molécula de ADN.

Reparación por escisión: En este tipo de reparación, un segmento de ADN que contiene la lesión es removido y sustituido por una nueva cadena sintetizada correctamente. Existen dos variantes principales:

Reparación por escisión generalizada: Repara daños comunes en el ADN de manera rutinaria.
Reparación por escisión especializada: Está dirigida a lesiones específicas, como los dímeros de timina generados por radiación ultravioleta.

Reparación recombinacional o postreplicativa: Este mecanismo reemplaza una sección de ADN ausente o dañada utilizando secuencias idénticas o similares que pueden encontrarse durante la replicación o en ADN extracromosómico, como plásmidos. Esta vía aprovecha la homología entre secuencias para reconstruir la información perdida, preservando la continuidad del genoma.

Respuesta SOS: Ante daños extensos en el ADN o interrupciones en la replicación, las bacterias activan un programa coordinado de expresión génica denominado respuesta SOS, que induce alrededor de quince genes implicados en la reparación del ADN y en la recombinación. Esta respuesta incluye mecanismos de reparación fiel, pero también puede recurrir a reparaciones menos precisas cuando la información de la plantilla original no está disponible.

Reparación propensa a errores (error-prone repair): Este mecanismo actúa como último recurso para evitar la muerte celular cuando otros sistemas de reparación no pueden restaurar la secuencia original. Consiste en rellenar huecos en el ADN con secuencias aleatorias, lo que permite que la célula sobreviva aunque se generen mutaciones adicionales. Aunque esta reparación aumenta la probabilidad de errores, proporciona una ventaja evolutiva al permitir que algunas bacterias sobrevivan a daños graves que de otro modo serían letales.

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Fuente y lecturas recomendadas:

Madigan, M. T., Martinko, J. M., Bender, K. S., Buckley, D. H., & Stahl, D. A. (2018). Brock biology of microorganisms (15th ed.). Pearson.
Murray, P. R., Rosenthal, K. S., & Pfaller, M. A. (2025). Medical microbiology (10th ed.). Elsevier.
Carroll, K. C., & Pfaller, M. A. (2023). Manual of clinical microbiology (13th ed.). American Society for Microbiology Press.
Riedel, S., Hobden, J. A., Miller, S., Morse, S. A., Mietzner, T. A., Detrick, B., Mitchell, T. G., Sakanari, J. A., Hotez, P., & Mejía, R. (2020). Microbiología médica (28ª ed.). McGraw-Hill Interamericana Editores.