“Transducción” en bacteriasUn virus puede transferir material genético y, por ende, los rasgos hereditarios, a partir de una bacteria a

otra. El fenómeno arroja luz sobre el comportamiento de los virus y el mecanismo de la herencia.

os virus primero hicieron su existencia conocida sobre todo como diminutos gérmenes que causan enfermedad en animales y plantas. Luego se descubrió que un virus puede multiplicarse solamente en el interior la célula viva; los nuevos virus son liberados, y la célula muere. Durante el tiempo que está

adentro, el virus desaparece en el sistema bioquímico de su anfitrión, de modo que sus actividades allí hayan sido en gran parte oscuras. Poco a poco, sin embargo, la historia de vida del virus se está ensamblando. Mientras que las piezas caen en lugar, el virus está asumiendo una nueva identidad. Desde el punto de vista biológico el germen se ha convertido en un valioso aliado en la exploración de los procesos de la vida de la célula.

LLos genetistas han encontrado virus particularmente útiles como medio para conseguir el mecanismo de

la herencia. El virus típico es un poco del material genético encapsulado en una capa de proteína. Como tal, puede afectar a la genética de su anfitrión en formas importantes. Esto primero fue observada en el caso de los virus que infectan bacterias. A veces estos virus causan una infección latente; que no matan a su anfitrión, pero se convierten en una pieza del aparato genético. Entonces, el virus latente actúa como un pedacito de material genético de las bacterias e induce nuevos rasgos en su anfitrión. En este papel, que puede ser reproducido a través de muchas generaciones junto con las bacterias, posee genes antes de que reasuma su existencia como virus separado. Es una infección tan latente del virus que hace al bacilo normalmente inofensivo de la difteria, hacer su toxina mortal.

Este artículo se refiere al descubrimiento que implica al virus aún más profundamente en los procesos genéticos de su anfitrión. Ahora parece que un virus bacteriano puede llevar los genes propios de las bacterias de célula a célula. Como un portador de la enfermedad, infecta una bacteria con el material hereditario escogido de otra.

Esta “transducción” de la herencia bacteriana fue descubierta por accidente y la buena suerte en una investigación, que al principio no se refería a los virus en absoluto. El descubrimiento ocurrió durante una tentativa de inducir el acoplamiento sexual en las bacterias que causan una enfermedad en los ratones que se asemejan a fiebre tifoidea en el hombre. El acoplamiento es un proceso raro en bacterias. Una bacteria que normalmente se multiplica, simplemente se multiplica dividiendo en dos células, cada una de las cuales, generalmente, tienen la misma constitución genética que la otra. En 1946, sin embargo, Joshua Lederberg y Edward L. Tatum (entonces en la Universidad de Yale) encontraron que una bacteria en una cepa del bacilo Escherichia coli podría acoplarse bajo ciertas condiciones con una bacteria en otra cepa de la misma especie, y por tanto, dar lugar a bacterias con algunas características de ambas cepas. No parecía haber razón por la que E. coli solamente entre bacterias debe tener la capacidad de acoplarse, así que en Lederberg 1949 e I (entonces en la universidad de Wisconsin) emprendió inducir el acoplamiento en otra especie.

ara nuestro primer experimento elegimos dos cepas de la bacteria tifoidea del ratón, Salmonella typhimurium. Cada cepa carecía de la capacidad de sintetizar un aminoácido particular necesario para su crecimiento, pero podía sintetizar el aminoácido que la otra cepa no podía producir. Si el apareamiento se

producía, alguno de los descendientes debería poder sintetizar ambos factores; podrían entonces ser aislados y transferidos a un medio con agar, que tampoco contiene los dos aminoácidos. En tal medio, las cepas parentales no podrían proliferar, pero las nuevas células formarían colonias visibles en pocas horas. Mezclamos por consiguiente las células de las cepas biparentales y las separamos en el agar selectivo. Las colonias del nuevo tipo de células aparecieron; hemos tenido éxito al parecer en el acoplamiento de Salmonella.

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Para estar seguros que las nuevas células eran el producto del acoplamiento, intentamos aparear cepas que se distinguen unas de otras por más de un rasgo. La descendencia del apareamiento bacteriano puede combinar genes de sus dos padres en cualquier proporción. Podríamos, por lo tanto, esperar encontrar una variedad de nuevas células, algunas más parecidas a un padre y algunas más parecidas al otro. Nos sorprendió

encontrar, sin embargo, que la descendencia de estos acoplamientos se asemejó totalmente a uno de los padres, a excepción del rasgo por el que fueron aisladas y que fue suministrado por el otro progenitor. La transferencia de solamente uno a la vez no era compatible con la idea de un proceso de acoplamiento. Además, una de las dos cepas actuaba siempre como donante, y el otro como receptor de los rasgos genéticos.

Se consideraron en primer lugar, la alternativa simple: el cambio era simplemente una mutación al azar. Sin embargo, esta posibilidad tuvo que ser rechazada, puesto que el cambio apareció mucho más a menudo en los cultivos de las tensiones parentales mixtas, que en los cultivos puros. Tampoco podría ser un aumento en la tasa de mutación en los cultivos mixtos, porque el nuevo rasgo de la cepa receptora fue relacionado siempre con los rasgos de la cepa donante. Llegamos a la conclusión, de que habíamos tropezado con un caso de “transformación” bacteriana. En este proceso, los rasgos genéticos de una cepa de bacterias son transformados por el contacto con el material genético de otra cepa. No es necesario el contacto entre las células. En casos conocidos de transformación, de hecho, las células de la cepa donante están muertas, y su material genético - el ácido desoxirribonucleico, o ADN, contenido en sus cromosomas – es liberado en el medio de cultivo. La cepa receptora incorpora algo de este ADN libre a sus cromosomas, y adquiere así rasgos de la cepa muerta. Aunque, estaba bien establecido en ciertas especies de bacterias, la transformación nunca se había observado en Salmonella.

Para probar la hipótesis de la transformación, cultivamos nuestras dos cepas de Salmonella en un tubo en forma de "U" especialmente construido. Una cepa fue cultivada en un brazo del tubo; y la otra cepa, en el otro brazo. Entre los dos brazos había un filtro que evitó el apareamiento por contacto entre las dos cepas. Para promover el intercambio de sustancias secretadas por las dos cepas, limpiamos suavemente el caldo de nutriente con un chorro de agua desde un lado del tubo hacia el otro. Cuando las dos cepas fueron transferidas a un medio selectivo, algunos descendientes de la cepa receptora mostraron un nuevo rasgo, escogido de la cepa donante. La transformación parecía ser la respuesta. A continuación, realizamos un experimento más convencional de transformación, tratando el cultivo receptor con el ADN puro extraído de la cepa donante. Esto, inesperadamente, no tuvo ningún efecto en absoluto. Con nuestra hipótesis destruida, volvimos al tubo en forma de "U". Esta vez, con la idea de eliminar la posibilidad de la transformación, agregamos una enzima que destruye el ADN libre. A pesar de la presencia de la enzima, los cambios genéticos aparecieron como antes. Nos vimos obligados a descartar la transformación, así como el apareamiento, y a buscar otra explicación.

¿Qué podría estar sucediendo en el tubo en forma de "U"? La bacteria donante pasó su material genético al destinatario en pedazos lo suficientemente pequeños para pasar a través del filtro, pero los pedazos no fueron dañados por la enzima de destrucción de ADN. Ambos progenitores tuvieron que estar presentes para que la transferencia ocurriera, pero no tuvieron que estar en contacto directo. Nos preguntábamos si el donante quizás emitió algo distinto al ADN que podría afectar a la herencia del receptor. Para probar esta idea, agregamos el caldo filtrado de un cultivo de células donantes a un cultivo de células receptoras. No resultaron cambios hereditarios. Sin embargo, cuando las dos cepas crecieron juntas y filtramos el caldo, este líquido produjo cambios en una cepa fresca de células receptoras. En este punto nos dimos cuenta de que había dos pasos en el proceso: en primer lugar, el receptor tuvo que producir algo para estimular al donante, y a continuación, el donante podría enviar el material genético activo de vuelta al receptor.

Ahora hemos hecho un nuevo descubrimiento: una vez que un cultivo de células donantes fue estimulada por la exposición a los fluidos de la cepa receptora, el líquido de esta cultura estimuló otras células donantes. El material estimulante fue reproducido de alguna manera en las bacterias donante. Esta capacidad de reproducción nos hizo pensar en virus bacterianos. Los virus son lo suficientemente pequeños para pasar con facilidad a través del filtro en el tubo en forma de “U”, y la capa de la proteína del virus protege su ADN de la enzima que destruye el ADN libre.

Los virus bacterianos más conocidos son tan destructivos, que un cultivo infectado prácticamente desaparece ante sus ojos. Evidentemente, habríamos notado un virus de este tipo inmediatamente. La “calma” del virus que causa una infección latente es más difícil de detectar. Matando sólo una pequeña fracción de las células, una infección latente puede cambiar apenas la densidad de un cultivo. Pero de vez en cuando uno de los

virus latentes recupera su forma original, se multiplica en la célula y estalla para luego invadir otros. Como resultado, un pequeño virus libre siempre está presente en un cultivo de bacterias, albergando así una infección latente.

Por supuesto, cuando buscamos virus en los cultivos de Salmonella donantes que habían sido tratados con líquidos estimulantes, encontramos un gran número de partículas del virus. Otros experimentos indicaron que la actividad del virus y la actividad estimulante van de la mano, lo que confirmó el hecho de que el virus era el agente estimulante.

Estaba solamente a un paso de la teoría de que los virus también actúan como portadores del material genético desde el donante hasta las bacterias receptoras. Hemos dudado en dar este paso, porque la teoría implica demasiado. Sugiere, por ejemplo, que los virus de enfermedades humanas puedan llevar el material genético desde una célula huésped a otra. Sin embargo, ninguna otra teoría podría explicar la evidencia concluyente de que el virus bacteriano y el portador del material genético del donante para las bacterias receptoras, fueran idénticos en características físicas, químicas y biológicas.

El misterio de Salmonella ahora fácilmente será resuelto. Una de nuestras dos cepas (el receptor) llevaba un virus aplacado como una infección latente. La segunda cepa (el donante) era especialmente susceptible a este virus. Cuando las dos fueron mezcladas, un virus infeccioso ocasional que se desarrolló en la cepa receptora invadió una célula de la cepa donante. Cuando los descendientes del virus erupcionaron provocaron la muerte de la célula, la mayoría de ellos tenían núcleos genéticos del virus, el ADN fue sintetizado a partir de la sustancia de la célula bacteriana. Sin embargo, algunas de ellas incorporaron partículas de ADN de Salmonella sin cambios en sus núcleos genéticos. El virus normal provocó infecciones bacterianas en otras células, activa o latente, dependiendo de la cepa de la bacteria. Los que llevaron el ADN bacteriano e invadieron las bacterias de la cepa receptora trajeron consecuencias totalmente diferentes. En lugar de matar a su anfitrión, simplemente desaparecieron. El ADN que trajeron con ellos tomó su lugar en los cromosomas de las células receptoras y modificó la nutrición u otras características de la célula descendientes.

Es pura casualidad que una de las cepas elegidas para nuestros estudios contenía un virus latente, y que otro fue susceptible a este virus. No esperábamos ciertamente encontrar un nuevo mecanismo genético, y, teniendo en cuenta los muchos factores que tienen que estar en armonía, el descubrimiento fue extremadamente fortuito.

n cierto modo la transducción de rasgos genéticos por un virus se asemeja de cerca a la infección latente por un virus. La diferencia entre los dos procesos radica en la naturaleza del material genético transportado por el virus, si se trata de ADN recogido de un cromosoma bacteriano o ADN verdadero del

virus. El ADN de un virus de una cepa dada, tiene la misma composición que el ADN en los otros virus de la misma cepa. En esta infección latente, el ADN siempre tomará la misma estación en la célula huésped, el cromosoma, e inducirá el mismo cambio en las características de la célula huésped. Los rasgos asociados al virus latente (una nueva capacidad de síntesis o un cambio en la pared de la célula) aparecen en cada una de las células que albergan el virus. Si las células bacterianas pierden el material genético del virus, como lo demuestra la desaparición del virus libre del cultivo, pierden simultáneamente el rasgo asociado al virus.

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Por otra parte, el ADN de bacterias transportadas por el virus pueden variar en su composición, y cada tipo de ADN puede ser capaz de producir un rasgo diferente. Las características de este ADN no dependen en absoluto del virus, sino solamente de la bacteria de procedencia. El virus es el nuevo huésped, el ADN bacteriano toma una estación en el cromosoma que corresponde a la posición que había ocupado en el cromosoma del huésped anterior. Sólo un número muy reducido de las células en un cultivo ganarán rasgos debido a la transducción, pero una vez incorporados esos rasgos permanecerán, incluso después de que la cepa pierde el ADN del virus.

En realidad la transducción de un nuevo rasgo a una bacteria, no es siempre acompañada de una infección latente. Un virus puede tomar inversamente la forma latente en una bacteria sin establecer una transducción. Es incierto, si una partícula del virus puede producir ambos efectos; una célula suele ser invadida por más de un

virus. Es absolutamente posible que un virus pierda parte de su propio ADN con el fin de adquirir ADN bacteriano, y, como consecuencia, puede no ser capaz de producir una infección activa.

a pieza de ADN que es captada por el virus debe ser realmente muy pequeña. Se pensó por un momento que este fragmento podría corresponder a una sola unidad del gen, puesto que una partícula del virus, al parecer, sólo podía transferir un rasgo bacteriano a la vez. En el curso de nuestro trabajo, sin embargo,

hemos descubierto varios rasgos que el virus transfiere en pares. La pieza de ADN transportado por un virus, por lo tanto, debe ser lo suficientemente grande como para al menos dos genes, presumiblemente los dos adyacentes o situados estrechamente cerca en el cromosoma.

LLos estudios de la capacidad de natación de Salmonella nos llevaron a los primeros pares de genes

vinculados. Algunas cepas de Salmonella tienen colas como látigo (flagelos), con el que pueden nadar a través de líquidos o gelatinas semisólidas; otras no tienen cola y no puede moverse. Las bacterias sin cola pueden quedarse y crecer en las colonias donde se coloquen, pero las otras nadan y se propagan formando una nube turbia en todo el medio de cultivo. Las cepas de la natación son de diferentes tipos, distinguidos por las proteínas de las que sus colas se hacen. Encontramos que la habilidad para nadar depende de dos genes, uno para determinar si la cola se hace o no, y el otro para determinar la proteína específica de la que hará. Una célula sin cola puede ya tener un gen inactivo para un tipo de proteína de la cola; si se adquiere un gen para hacer la cola por medio de la transducción, se hará una cola a partir del tipo de proteína determinada por su propio gen. Casi tan a menudo, encontramos, que una célula sin cola recoge un nuevo gen de la proteína a lo largo de la cola, junto con la cola que hacia el gen; como resultado produce una cola del tipo de la del donante en lugar del propio. Los nuevos genes introducidos por la transducción eliminan los genes correspondientes en el cromosoma bacteriano y toman su lugar.

El vínculo entre los rasgos genéticos revelados por la transducción, ofrece una pista sobre la vinculación de los genes en la estructura de los cromosomas. Por lo tanto, la transducción promete ser una herramienta útil en la importante tarea de “cartografiar o trazar” los cromosomas.

Bruce Stocker, un bacteriólogo británico, ha demostrado un modo frustrado de transducción. El ADN transducido, en este caso, no sustituye un gen en el cromosoma de la célula receptora, sino que por su propia presencia induce un nuevo rasgo. Cuando la célula se divide, sin embargo, el nuevo gen no es duplicado, y sólo una de las células hijas exhibe el rasgo. Stocker hizo este descubrimiento interesante en una investigación del rasgo de la natación, cuando la célula receptora produjo un rastro de colonias en lugar de la difusión de un enjambre. Las colonias a lo largo del rastro consistieron totalmente en células sin cola. Pero el rastro había sido puesto por la célula hija con natación, que se trasladó al sitio siguiente después de cada división.

Parece posible mover cualquier rasgo hereditario de una célula a otra por transducción. Hemos tenido éxito en transducir casi todos los rasgos que podemos detectar confiablemente por el experimento, incluyendo la resistencia a los medicamentos, factores de la movilidad y factores antigénicos. La Transducción se ha demostrado en muchos tipos de Salmonella, en las especies relacionadas y apareamiento de cepas de E. coli. Pero irónicamente nadie a tenido éxito en el apareamiento de Salmonella.

Se conocen TRES MÉTODOS de transferencia de material genético de una célula bacteriana a otra. En la transformación (A) las células se rompen para liberar el material genético (coloreado), una pequeño proporción de los cuales pueden entonces entrar en otra célula. En la transducción (B) los virus que pueden infectar a las células llevan el material genético de una a otra. En el apareamiento (C) el material se transmite por contacto directo de las células, y una mayor cantidad puede ser transferida simultáneamente.

EXPERIMENTO del TUBO EN FORMA DE "U" llevó al descubrimiento de la transducción. En la parte inferior del tubo con un filtro había una cepa de la bacteria Salmonella typhimurium; en el lado derecho, otra cepa. La cepa a la derecha albergaba un virus “latente” (pequeños cuadrados negros en el cromosoma esquemático). De vez en cuando una de estas bacterias lanzó virus vivos (objetos en forma de renacuajos) que pasaron a través del filtro (primer dibujo). En la cepa de la izquierda los virus se multiplicaron rápidamente (segundo dibujo). Algunos de los virus (coloreados) llevaron trozos del material genético de la cepa de la parte posterior de la izquierda a través del filtro, para convertirse en parte de material genético de la cepa de la derecha (tercer dibujo).

La TRANDUCCIÓN requiere en primer lugar (A) un cultivo de células donantes infectadas con el virus. El líquido filtrado de este cultivo contiene virus (B), algunos de los cuales llevan el material genético de las bacterias (coloreadas). Otra cepa de bacterias pueden infectarse con este virus (C). Luego algunas de ellas (D) producen más virus (arriba), algunos adquirir genes de la bacteria donante (cuadrado de color), algunos adquieren genes de los virus latentes (cuadrado negro), y algunos reciben ambos. De vez en cuando una célula bacteriana adquiere un gen, pero no lo incorpora en su cromosoma (parte superior derecha); el gen no es duplicado cuando las célula se divide, de modo que sólo una célula hija lo recibe.

La TRANSDUCCIÓN A LA MOVILIDAD reveló que dos genes, presumiblemente ubicados en el cromosoma bacteriano, se pueden llevar juntos en un virus. El virus (A) de un cultivo de células con cola (arriba) se utiliza para la transducción de células sin cola. Resultaron dos tipos de células móviles: algunas (a la derecha) recibieron sólo el gen para fabricar la cola y del tipo de cola según la proteína para los que ya tenían un gen latente; un número igual (izquierda) tenía colas como el donante, porque también había recibido un gen para las proteínas de la cola. Las transducciones de células sin cola se repitieron con el virus de cada uno de los nuevos tipos de células. Uno (B) dio lugar a dos tipos de células con cola, y el otro (C) producido sólo un tipo de células con cola.