Genética bacteriana

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Julia Ladeira de Moraes - 21/02/2022
MICRO - GENÉTICA BACTERIANA
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~ Toda a informação necessária à vida estará armazenada no material genético do ser eucarioto ou procarioto
~ Informação genética em seres procariotos:
- A informação genética vai gerenciar todas as funções vitais da bactéria, determinando, por exemplo, sua expressão proteica, seu perfil enzimático, os ambientes que ela conseguirá tolerar e os nutrientes que ela conseguirá metabolizar
- A informação genética pode ser utilizada de duas formas:
. Entre as gerações de células filhas: A bactéria metabolicamente ativa sofre o processo de replicação (no qual há a duplicação do material genético e o aumento da estrutura bacteriana) e, posteriormente, de divisão (no qual há a formação de duas bactérias idênticas, que possuirão o mesmo material genético, logo não existe variabilidade genética, a qual é importante para a adaptação do microrganismo ao meio ambiente)
. No interior de uma célula: A bactéria metabolicamente ativa sofre o processo de transcrição (no qual há a formação do RNA mensageiro) e, posteriormente, de tradução (no qual há a formação da proteína)
~ DNA:
- Filamento duplo de uma cadeia de polinucleotídeos
. A formação de cada nucleotídeo é dada por uma pentose (que é um monossacarídeo de 5 carbonos) do tipo desoxirribose, ligada a um grupo fosfato (PO4-) e a uma base nitrogenada [adenina (A), timina (T), citosina (C) e guanina (G), sendo que a A se liga na T por duas ligações de hidrogênio, enquanto a C se liga na G por três ligações de hidrogênio]
~ RNA:
- Filamento único de uma cadeia de polinucleotídeos
. A formação de cada nucleotídeo é dada por uma pentose (que é um monossacarídeo de 5 carbonos) do tipo ribose, ligada a um grupo fosfato (PO4-) e a uma base nitrogenada [adenina (A), uracila (U), citosina (C) e guanina (G), sendo que a A se liga na U por duas ligações de hidrogênio, enquanto a C se liga na G por três ligações de hidrogênio]
- É o produto da transcrição, sendo, portanto, a formação dele (na forma de RNA mensageiro) a primeira etapa da expressão gênica
- Pode ser do tipo RNA mensageiro (RNAm), RNA transportador (RNAt) e RNA ribossomal (RNAr)
. RNA mensageiro (RNAm): É produzido a partir de uma fita do DNA, possuindo códons formados por três bases nitrogenadas, e é responsável por levar a informação do DNA do núcleo ao citoplasma (onde a proteína será produzida)
. RNA transportador (RNAt): É produzido 
a partir de uma fita do DNA, possuindo anticódons formados por três bases
nitrogenadas, e é responsável por transportar os aminoácidos que serão utilizados na formação das proteínas até os ribossomos 
. RNA ribossomal (RNAr): É responsável pela formação dos ribossomos (organelas que fazem a interpretação da sequência de bases do RNAm, sintetizando, a partir dela, uma proteína) que são constituídos por 2 estruturas/subunidades (sendo nos seres procariotos a subunidade maior 50S e a menor 30S, resultando em um ribossomo 70S), sendo eles excelentes alvos terapêuticos no combate contra infecções bacterianas, pois quando se utiliza um antimicrobiano, eles são atingidos, inibindo, portanto, a síntese proteica
~ Armazenamento da informação genética bacteriana (considerando ambientes não restritivos, como aqueles sem antimicrobianos):
- Material cromossômico: 
. É nele onde se encontram as informações essenciais (portanto são vitais) para a viabilidade e manutenção da célula bacteriana
. DNA único e circular de fita dupla
. Haploide
. Fica em uma área chamada nucleoide (que é semelhante a um núcleo sem carioteca, já que as bactérias não possuem núcleo individualizado) 
. Realiza replicação semiconservativa (processo semelhante ao que ocorre nos eucariotos, no qual uma molécula de DNA gera duas moléculas de DNA idênticas a ela, sendo que essas possuirão uma fita da molécula original, que servirá de molde para a nova fita, e uma fita produzida pela enzima DNA polimerase, que foi feita a partir do molde da fita original)
. Por possuir um tamanho muito maior do que a própria célula bacteriana, ele precisa ficar bem condensado, logo, para isso, ele sofre enovelamentos, ficando parecido com um fio ao final do processo, mesmo sendo circular, com o auxilio de proteínas que funcionam como as histonas dos eucariotos, as quais juntam o filamento, condensando ainda mais o material genético (antimicrobianos que atuam inibindo essa condensação levam a bactéria à morte, pois, assim, ela não conseguirá estabilizar o material genético de forma adequada dentro de sua célula, logo, por ele ser muito maior do que essa, ela acaba se rompendo)
. Existem particularidades em relação à composição desse material genético, sendo seu tamanho variável, já que as bactérias são muito diferentes uma das outras (ex: em relação ao ambiente em que elas suportam viver e aos nutrientes que metabolizam). Ex: Bactéria Mycoplasma spp possui o material cromossômico contendo 580 kbp (kilo pares de base) e 475 genes potenciais (genes que apresentam informação genética que pode ser expressa em uma proteína, carregando, portanto, informa-
ções úteis para a célula bacteriana), e não apresentam parede celular, logo esse gênero bacteriano é intracelular obrigatório, sendo restrito a determinados ambientes. Ex: Bactéria Escherichia coli possui o material cromossômico contendo 4639 kbp e 4288 genes potenciais (esse número alto de genes que apresentam informação genética permitem com que essa bactéria seja mais adaptada a diferentes ambientes), e compõem a microbiota intestinal
. Organização em operons (organização estrutural típica de genomas procarióticos, na qual duas ou mais sequências codificadoras de produtos gênicos estão sob o controle transcricional de um mesmo conjunto de sequencias reguladoras, sendo transcritas em um único RNA, chamado de RNA policistrônico, logo isso permite que as bactérias expressem sua informação genética de forma particular e otimizada, o que economiza o gasto energético delas durante as etapas do processo de síntese das proteínas)
 
- Material extracromossômico/Plasmídeo bacteriano: 
. É nele onde se encontram as informações adicionais (portanto não são vitais; ex: informações de resistência 
a antibióticos/antimicrobianos) que favorecem a existência da bactéria em determinados ambientes
. DNA circular de fita dupla 
. Realiza replicação independente (processo no qual os genes são ativados e a informação que está presente neles se autorregula, sem depender da atuação do material cromossômico sobre ele, logo os genes são expressos de forma independente)
. Pode ou não estar presente na célula das bactérias, não sendo essencial para a sobrevivência da célula bacteriana sob condições não restritivas, mas sim sob condições restritivas (como em ambientes com a presença de um antimicrobiano)
. Ex: Plasmídeo R100 possui diferentes informações genéticas que, quando transcritas e traduzidas, geram uma proteína a qual confere resistência a diversas estruturas
~ Expressão gênica:
- Processo pelo qual a informação contida nos genes (segmentos de DNA que contém a informação necessária para codificar uma proteína) gera produtos gênicos, que são as moléculas de RNA (na etapa de transcrição gênica) e as proteínas (na etapa de tradução gênica)
- A expressão gênica acontece de forma independente tanto no material cromossômico como no material extracromossômico
- As etapas do processo de síntese das proteínas que são reguladas pelos genes são:
. Replicação: Processo semiconservativo no núcleo da célula no qual uma molécula de DNA gera duas moléculas de DNA idênticas a ela, sendo que essas possuirão uma fita da molécula original, que servirá de molde para a nova fita, e uma fita produzida pela enzima DNA polimerase, que foi feita a partir do molde da fita original
. Transcrição: Processo no núcleo da célula de síntese do RNAm a partir do DNA, no qual o DNA se abre, exibindo suas duas fitas, e os códons presentes no gene da fita com o promotor/regiãopromotora (sequência específica de DNA reconhecida pela enzima RNA polimerase a qual se liga a ele), que servirá como molde para a formação do RNA, são transcritos para a molécula de RNAm, até chegar ao terminador (sequência de DNA que marca o final da transcrição do gene ou operon), onde essa transcrição se encerra. Ex: Fita de DNA T A C C C G A T C formará a fita de RNAm A U G G G C U A G 
. Tradução: Processo no citoplasma da célula de produção de proteínas a partir do RNAm, no qual ribossomos se encaixam no RNAm, fazendo com que cada códon do gene atraia um RNAt que se ligará ao RNAm pelo anticódon, originando aminoácidos que juntos formarão uma cadeia polipeptídica, logo nessa etapa é feita a tradução da informação contida no gene
Região codificadora com 
os genes A, B e C
~ Regulação gênica:
- Regula a expressão gênica, definindo quando determinado gene vai ser ou não expresso (ao passar pelas etapas de transcrição e tradução), o que economiza o gasto energético da bactéria 
- A regulação gênica funciona sobre 2 tipos de genes:
. Genes constitutivos: Genes que precisam estar regularmente ativados, sendo constantemente expressos (ou seja, transcritos e traduzidos), pois o produto da expressão deles estará ligado à viabilidade e manutenção da célula bacteriana, contendo informações vitais para a bactéria, como nutrição e metabolismo
. Genes regulados: Genes que podem estar ou não ativados e, portanto, expressos (ou seja, transcritos e traduzidos) ou não em determinados momentos, pois o produto da expressão deles estará ligado às condições do meio, ou seja, aos componentes presentes no ambiente que serão necessários ou não para a bactéria
- A regulação gênica possui 2 tipos de sistemas:
. Sistema de repressão: A atividade de determinado gene vai ser reprimida, logo o gene que estava constantemente ativado, por ser vital à bactéria, será desativado, devido à adição do produto desse gene no meio
* Exemplo da imagem sobre o sistema de repressão: Em vermelho, o número de células está constantemente amentando, o que significa que a bactéria está 
~ Estrutura de um operon procarionte:
- É formada pela região regulatória (composta por promotor/região promotora, que é a 
sequência específica de DNA reconhecida pela enzima RNA polimerase a qual se liga a 
ele, e operador/região operadora, que á a sequência específica de DNA reconhecida pelas proteínas repressoras que se ligarão nela), pela região codificadora (porção do gene que inclui sequências que serão transcritas e traduzidas em proteínas, logo é a parte que tem de fato uma informação genética importante) 
e pelo terminador (sequência de DNA que marca o final da transcrição do gene ou operon)
- Nesse modelo de operon, os genes com funções interligadas serão transcritos (em um único RNA, chamado de mRNA policistrônico, que só as bactérias possuem) e traduzidos simultaneamente 
metabolicamente ativa, havendo gasto de energia para a expressão dessa informação. Em preto, a quantidade de proteínas totais está constantemente amentando, o que significa que a bactéria está metabolicamente ativa, havendo gasto de energia para a expressão dessa informação. Em azul, há a expressão de enzimas da biossíntese da arginina, que é um aminoácido essencial para as funções metabólicas da bactéria, logo, na parte ascendente, a bactéria está metabolicamente ativa, produzindo essas enzimas, havendo gasto de energia para a expressão dessa informação, mas, em determinado momento (mostrado na imagem por uma seta), é adicionado arginina do meio, logo a atividade do gene relacionado com a síntese dela é reprimida, fazendo com que ele, que estava constante-mente ativo, fique desativado, parando de ter gasto energético para a bactéria ao passar a usar esse aminoácido, que é o produto daquele gene, ofertado pelo meio, portanto, na parte constante, a bactéria está metabolicamente inativa
* No sistema de repressão há o Operon trp, que é o operon do triptofano, o qual possuirá na região codificadora os genes trpE, trpD, tpC, trpB e trpA que expressarão proteínas as quais serão utilizadas na síntese desse aminoácido ao serem quebradas. Na ausência de triptofano, a proteína repressora produzida pelo gene inibidor (gene R) não se ligará ao operador/região operadora do operon, deixando-o livre, logo a enzima RNA polimerase consegue reconhecer a sequência específica de DNA, realizando a transcrição dos genes contidos nela (genes trpE, trpD, tpC, trpB e trpA), ocorrendo a produção do RNAm, que será o RNA policistrônico, o qual possuirá a informação de cada um dos cinco genes, e, posteriormente, esse RNA é traduzido, formando o triptofano. Mas, quando ocorre a presença de triptofano no ambiente, não haverá mais a expressão dos genes, pois eles serão desativados, não sendo transcritos e traduzidos, já que a bactéria não gastará mais sua energia ao sintetizá-lo pelo fato de o triptofano já ser ofertado no meio, reprimindo essa expressão, portanto, ela terá um gene inibidor (gene R) que passou por essas duas etapas do processo de síntese das proteínas que são reguladas pelos genes, produzindo como produto a proteína repressora a qual fica ligada a esse aminoácido, pois ele atuará como co-repressor, se conectando nela, logo esse conjunto se liga diretamente ao operador/região operadora do operon, já que ele possui afinidade por ela, havendo um bloqueio físico, impedindo com que a enzima RNA polimerase reconheça a sequência específica de DNA, realizando a transcrição dos genes contidos nela (genes trpE, trpD, tpC, trpB e trpA), não ocorrendo a produção do RNAm e, portanto, a tradução dele com a produção das 5 proteínas necessárias para a síntese do triptofano ao serem quebradas
. Sistema de indução: A atividade de determinado gene vai ser induzida, devido à adição do produto desse gene no meio, logo o gene que estava desativado, por não ser vital à bactéria, será ativado
* Exemplo da imagem sobre o sistema de indução: Em vermelho, o número de células está constantemente amentando, o que significa que a bactéria está metabolicamente ativa, havendo gasto de energia para a expressão dessa informação. Em preto, a quantidade de proteínas totais está constantemente amentando, o que significa que a bactéria está metabolicamente ativa, havendo gasto de energia para a expressão dessa informação. Em azul, na parte constante, a bactéria está metabolicamente inativa, não havendo a expressão de um gene, já que ele se encontra desativado, mas, em determinado momento (mostrado na imagem por uma seta), é adicionado lactose do meio, logo a atividade do gene relacionado com a enzima β-galactosidase, responsável por produzi-la, é
induzida, devido à adição desse carboidrato, que é o produto desse gene, no meio, fazendo com que ele, que estava desativado, fique ativado, portanto, na parte ascendente, a bactéria está metabolicamente ativa, havendo gasto de energia para a expressão dessa informação
* No sistema de indução há o Operon lac, que é o operon da lactose, o qual possuirá na região codificadora os genes lacZ, lacY e lacA que expressarão proteínas/enzimas as quais serão utilizadas na metabolização/quebra desse carboidrato. Na ausência de lactose, não haverá a expressão desses genes, pois eles se encontram desativados, não sendo transcritos e traduzidos, já que a bactéria terá um gene inibidor (gene I) que passou por essas duas etapas do processo de síntese das proteínas que são reguladas pelos genes, produzindo como produto a proteína repressora a qual se liga diretamente ao operador/região operadora do operon, já que possui afinidade por ela, havendo um bloqueio físico, impedindo com que a enzima RNA polimerase reconheça a sequência específica de DNA, realizando a transcrição dos genes contidos nela (genes lacZ, lacY e laca), não ocorrendo a produção do RNAm e, portanto, a tradução dele com a produção da lactose ao final dessa etapa. Mas, quando ocorre a presença de lactose no ambiente, passará a haver a expressão dos genes, pois eles serão ativados, sendo transcritos e traduzidos,já que a bactéria gastará energia ao sintetizá-la pelo fato de a lactose ser ofertada no meio, induzindo essa expressão, portanto, ela terá um gene inibidor (gene I) que passou por essas duas etapas do processo de síntese das proteínas que são reguladas pelos genes, produzindo como produto a proteína repressora produzida pelo gene inibidor (gene I), a qual esse carboidrato se ligará, já que ele possui afinidade por ela, deixando livre o operador/região operadora do operon, logo a enzima RNA polimerase consegue reconhecer a sequência específica de DNA, realizando a transcrição dos genes contidos nela (genes lacZ, lacY e lacA), 
ocorrendo a produção do RNAm, que será o RNA policistrônico, o qual possuirá a informação de cada um dos três genes, e, posteriormente, esse RNA é traduzido, formando as proteínas/enzimas (β-galactosidase, permease e transacetilase) necessárias na metabolização/quebra da lactose
~ Mecanismos de variabilidade genética:
- Quanto mais diversificado for o material genético do microrganismo, maior será a adaptação dele ao ambiente e, consequentemente, mais evoluído e abundante ele será no meio. Isso acontece, já que, ao apresentar um potencial genético variado, ele terá um perfil enzimático diverso, logo poderá usar diferentes nutrientes para as suas reações metabólicas. Portanto, se o microrganismo não apresenta um potencial genético variado, ele não terá um perfil enzimático diverso, logo será menos adaptado ao ambiente, possuindo uma demanda por nutrientes específicos e, caso ele não os consiga, o microrganismo não é capaz de manter as suas reações metabólicas 
- A informação genética em seres procariotos utilizada na forma entre as gerações de células filhas (na qual a bactéria metabolicamente ativa sofre o processo de replicação e de divisão, havendo, ao final, a formação de duas bactérias idênticas, que possuirão o mesmo material genético) não apresenta variabilidade genética
- A evolução requer variabilidade
. As alterações genotípicas são importantes para gerar variabilidade genética e contribuir, assim, para o processo de evolução dos microrganismos
- Quando ocorre uma mudança brusca no meio ambiente, os microrganismos, por possuírem um conjunto de mecanismos geradores de alterações genéticas que conduzem a variantes, são possibilitados de contornar situações que ponham em risco a sobrevivência deles
~ Mecanismos de transferência de material genético bacteriano:
- Podem ocorrer entre diferentes espécies de bactérias, desde que seja de uma Gram negativa para outra Gram negativa ou de uma Gram positiva para outra Gram positiva
- São três processos os quais permitem que as bactérias alterem a composição de seu material genético, possibilitando a elas uma maior adaptação aos mais variados ambientes
Transformação 
Conjugação 
Transdução
- Transformação: Processo no qual a célula bacteriana (que será uma célula receptora, precisando ser transformável, ou seja, possuir a capacidade de captar e inserir o material que ela receberá para dentro dela mesma; e ter competência, ou seja, possuir a capacidade de incorporar o material que ela receberá dentro de seu cromossoma, garantindo a viabilidade dele, sem que haja a perda das informações contidas nele) adquire o material genético (DNA livre no meio) de forma exógena (ou seja, esse material veio do meio externo a ela) proveniente de uma bactéria que morreu em um ambiente, ocorrendo uma variação da composição desse material (variabilidade genética), logo, ao final desse mecanismo, haverá uma célula bacteriana geneticamente modificada, sendo ela diferente da original
- Transdução: Processo que envolve a participação de um vírus que infecta as bactérias (vírus chamado bacteriófago), inserindo o material genético dele dentro delas, gerenciando o metabolismo bacteriano, fazendo com que elas produzam componentes virais que darão origem a novos bacteriófagos, os quais serão liberados de dentro da célula, podendo alguns desses possuir uma partícula transdutora contendo
DNA hospedeiro (bacteriano), ou seja, ao invés de carregarem somente informação genética viral, podem carregar informação genética bacteriana, logo, quando esse bacteriófago for realizar uma nova infecção, a nova bactéria infectada que receberá o material genético contendo informação genética bacteriana incorporará em seu cromossoma uma parte desse DNA proveniente da bactéria anteriormente infectada, resultando em uma recombinação, formando uma célula transduzida, ocorrendo uma variação da composição desse material 
(variabilidade genética), logo, ao final desse 
mecanismo, haverá uma célula bacteriana 
geneticamente modificada, sendo ela 
diferente da original
- Conjugação: Processo que envolve a participação de duas bactérias vivas e metabolicamente ativas [requerendo o contato direto entre as células de cada uma delas, as quais são unidas, inicialmente, pelo pili/pilus sexual (tipo de fímbria envolvida na variabilidade genética bacteriana que corresponde ao produto da expressão do plasmídeo contido na célula doadora), o qual, posteriormente, é retraído, o que resulta na aproximação das duas células que passam a ter uma fusão de suas membranas, o que permite a passagem do plasmídeo para a célula receptora] as quais compartilham entre elas o material extracromossômico/plasmídeo bacteriano conjugativo, chamado de fator de fertilidade, que carrega genes de resistência e 
é autoduplicado ao chegar à célula receptora (sendo, portanto, um material de fita dupla), portanto essa célula bacteriana passa a ter, além de seu material genético original, esse fator de fertilidade (variabilidade genética), logo, ao final desse mecanismo, haverá uma célula bacteriana geneticamente modificada, sendo ela diferente da original, a qual, a partir desse momento, poderá atuar como uma célula doadora, possuindo a capacidade de conjugar
. Esse é o mais frequente mecanismo de transferência de material genético bacteriano (já que 
a transformação e a transdução são mais raras), o que promove uma alta disseminação de plasmídeos de resistência, que atrapalham de forma significativa o tratamento terapêutico
. Na bactéria Escherichia coli, a célula doadora que possui o fator de fertilidade é denominada 
F + e a célula receptora que não possui o fator de fertilidade é denominada F -
~ Aplicabilidade da genética bacteriana no laboratório:
- Testes genotípicos: Avaliam o perfil genético das bactérias ao realizar a extração do DNA delas, o que possibilita a identificação da espécie bacteriana e do perfil de resistência bacteriana 
- Testes fenotípicos: Se baseiam na expressão dos genes presentes no DNA das bactérias, o que possibilita a identificação das informações metabólicas (ex: se elas fermentam determinado açúcar, alterando as condições do meio por produzir ácidos; como elas crescem no ambiente; e se elas são capazes ou não de realizar a esporulação, ou seja, a produção e liberação de esporos) e das informações morfológicas delas (ex: se elas possuem pigmentos ou não; como é a conformação delas; e se elas são Gram positiva ou negativa)
- Diagnóstico molecular: Diagnósticos relacionados com as informações genéticas das bactérias que são extraídos pela análise direta de seu material genético, os quais são comuns de serem feitos em bactérias não cultiváveis ou pouco cultiváveis, havendo o desenvolvimento de técnicas com elevada sensibilidade e rapidez nos resultados