Aula 4 - Genética Microbiana

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Genética 
Microbiana
Universidade Federal Rural do Semi-Árido
Microbiologia para Ecólogos – ANI0238
Raphaela V .G. Barreto
13/05/2015
Considerações gerais
• Genoma bacteriano – “geralmente” possui apenas um 
cromossomo circular (Nucleóide) e um ou mais de um 
plasmídeos circulares. 
• Recentemente com os projetos genomas, tem-se visto 
que cresce cada vez mais o número de procariotos com 
genoma linear. 
Células de E. coli mostrando nucleóides. 
Proteína da capa do 
bacteriófago T2 
cercada por sua 
molécula de DNA 
linear e única. 
Considerações gerais
• O tamanho médio dos genes bacterianos é de cerca de 
900 a 1.000 pb. 
• Possui pouco espaço entre genes.
• Possuem poucas sequências repetidas.
• Os genes estão organizados em operons. 
• Acredita-se que este tipo de organização lhes confiram 
uma alta adaptabilidade. 
O comprimento do cromossomo da E. coli (1,7 mm) 
desenhado em uma forma linear relativamente ao 
comprimento de uma célula típica da E. coli (2 μm).
Quase 850 vezes o tamanho da célula!
cromossomo
Plasmídeos
• Descobertos nos anos 50 (Japão): genes de 
resistência em epidemia de disenteria por Shigella
dysenteriae;
• Molécula de DNA de fita dupla, circular e super-
enovelada;
• Alguns estão presentes em múltiplas cópias;
 Podem integrar-se ao cromossomo;
 Tamanho: 2Kb a 500 Kb até 1.600 Kb
Plasmídeos
• Carregam genes 
considerados não 
essenciais, embora sejam 
muito úteis.
• Replicação autônoma 
(independente do 
cromossomo)
Plasmídeos - funções
Estrutura não essencial, mas que pode conferir vantagens 
ecológicas
Exemplos: 
• Resistência a drogas e outros agentes antimicrobianos
• Produção de fatores de virulência (toxinas, adesinas)
• Degradação de substâncias inusitadas (ex. petróleo)
• Alguns conferem mecanismos adicionais de transferência 
genética (conjugação) > plasmídios conjugativos
São importantes ferramentas em Engenharia Genética!!!
Tipos de plasmídeos e importância biológica
• Plasmídeos conjugativos – controlam sua 
própria transferência pelo contato célula-célula 
(genes região tra – transferência):
– Região tra – apresenta genes que codificam proteínas 
que atuam na transferência e replicação do DNA;
– Caso o plasmídeo integre-se ao cromossomo, há a 
possibilidade de transferência do DNA cromossomal
de uma célula para outra.
Tipos de plasmídeos e importância biológica
• Plasmídeos R - plasmídeos de resistência à 
antibióticos e vários inibidores de crescimento;
• São facilmente transferidos entre as células;
– R100 – confere resistência múltipla a sulfonamidas, 
estreptomicina, espectinomicina, ácido fusídico, 
cloranfenicol e tetraciclina;
– Pode ser transferido entre Escherichia, Klebsiella,
Proteus, Salmonella e Shigella.
Tipos de plasmídeos e importância biológica
• Plasmídeos que codificam para a produção de 
toxinas
– Fornecem aos micro-organismos características 
relacionadas à virulência;
– Podem ser ainda responsáveis pela produção de 
bacteriocinas
Tipos de plasmídeos e importância biológica
• Epissomos - Plasmídeos que são capazes de se integrar ao 
cromossomo e multiplicar-se com ele;
 Plasmídeos F (fertilidade) - controla o cruzamento e a 
troca de genes entre células de E. coli
Regulação da expressão gênica
• Controle negativo - mecanismo regulatório que 
interrompe a transcrição de genes.
• Repressão enzimática – ocorre quando o produto está 
presente no meio inibindo a síntese pela célula
Economia de 
energia!!!
Regulação da expressão gênica - indução
• Indução enzimática – a 
enzima é sintetizada somente 
quando o substrato encontra-
se presente.
Operon argCBH – repressão enzimática
Indutores x correpressores
• Indutor – induz à síntese enzimática;
• Correpressor – reprime a síntese;
• Moléculas pequenas, coletivamente chamadas 
de efetores. Podem ser artificiais (análogos 
estruturais) ou naturais.
Modelo do operon lac
• Modelo proposto por Jacob e Monod em 1961, para 
explicar a regulação da síntese de proteínas.
• Genes da β-galactosidase, permease (envolvida no 
transporte da lactose para dentro da célula) e 
transacetilase (metabolisa outros açúcares). São todos 
genes estruturais.
• Na presença de lactose os genes são todos transcritos e 
traduzidos simultaneamente.
Operon lac – indução enzimática
Alolactose
(Indutor)
INDUÇÃO
REPRESSÃO
Mutações
Alterações de natureza herdável que 
ocorrem na sequência de bases de um 
ácido nucléico contido no genoma de um 
organismo
Recombinação genética
Recombinação genética é o processo pelo qual os 
elementos genéticos contidos em dois genomas 
distintos são reunidos em uma unidade.
Novas combinações de genes podem surgir, mesmo não 
ocorrendo mutações e podem favorecer a adaptação 
a ambientes que sofrem variações.
Mutações x recombinações
• Mutação: pequenas alterações genéticas de 
uma célula;
• Recombinação envolve geralmente alterações 
mais significativas. Genes completos, conjuntos 
de genes ou cromossomos inteiros podem ser 
transferidos de um organismo para outro. 
Procariotos: não apresentam qualquer tipo de 
reprodução sexuada. 
Possuem mecanismos de troca genética que 
permitem tanto a transferência de genes quanto 
sua recombinação. 
Mutações e mutantes
• Mutante diferencia-se de sua linhagem parental 
quanto ao seu genótipo. 
• Fenótipo do mutante também pode apresentar-
se alterado. Fenótipo mutante.
(Fenótipo selvagem – linhagem natural, não 
mutada).
Nomenclatura de genótipo e fenótipo mutante
Genótipo: gene hisC de E. coli codifica 
uma proteína HisC (histidinol-fosfato
aminotransferase). 
Ex. de mutantes de hisC: hisC1, hisC2 
Fenótipo: His+ ou His-
Isolamento de mutantes
• Qualquer característica de um organismo 
pode ser modificada por meio de mutações. 
• Algumas mutações são selecionáveis: 
conferem vantagens ao organismo que a 
possui, enquanto outras são não 
selecionáveis, mesmo que promovam claras 
alterações no fenótipo do organismo.
Diferentes tipos de mutação
• Ex. de mutação não selecionável: perda de 
coloração de uma colônia (Detecção visual do 
aspecto diferente). 
• Ex. de mutação selecionável: Resistência às 
drogas. Confere vantagem ao organismo. A 
progênie pode crescer em abundância, podendo 
até substituir a linhagem parental. 
Mutantes nutricionais
• Mutante nutricional (requer algum fator de 
crescimento): Auxotrófico
• Linhagem parental: Prototrófica. 
• E. coli His- são auxotróficos para histidina. 
Seleção de mutantes nutricionais 
Seleção de mutantes na placa réplica
Não tem enzimas necessárias 
↓
metabolismo de nutrientes ou síntese de 
moléculas essenciais 
Bactérias
prototróficas auxotróficas
Ingredientes simples
↓ 
sintetizar todos nutrientes que necessitam 
para crescer e se reproduzir 
Meio mínimo meio suplementado com um 
ou mais nutrientes
Meio mínimo: contem apenas nutrientes necessários para bactérias
prototróficas.
Meio completo: contem todas as substâncias necessárias para crescimento
bacteriano.
Fenótipo Tipo de alteração Detecção do mutante
Auxotrofia
Perda de enzima de uma 
via biossintética
Incapacidade de 
crescimento em meios 
desprovidos do nutriente 
Resistência à droga
Alteração da 
permeabilidade celular à 
droga, modificação do 
alvo ou detoxificação
Crescimento em meio 
contendo a droga em 
concentrações inibitórias 
ao crescimento 
Ausência de 
cápsula
Perda ou modificação da 
cápsula
Surgimento de colônias 
pequenas e rugosas em 
vez de lisas e grandes
Sensibilidade ao 
frio 
Alteração de uma 
proteína essencial 
Incapacidade de 
crescimento em 
temperaturas baixas
Resistência aos 
vírus 
Perda de receptores
Capacidade de crescer na 
presença de vírus
Tipos de mutantes
Bases moleculares das mutações
• Mutações podem ser espontâneas (ação de radiação 
natural; erros de pareamento de bases) ou induzidas.
• Mutações podem ser pontuais (substituições de bases, 
inserções ou deleções) 
• A alteração fenotípica decorrente deuma mutação 
depende do local exato do gene onde ocorreu a mutação, 
de qual nucleotídeo foi alterado e qual o produto 
codificado por aquele gene. 
Substituições de pares de bases
Ex: Mutação pontual 
dentro de um 
gene de proteína. 
Troca de fase de leitura
• Deleção ou inserção de alguns pares de 
nucleotídeos no DNA, alterando a fase de leitura 
de tradução.
• As substituições de base e mutações de troca de 
fase de leitura podem ocorrer espontaneamente 
devido a erros ocasionais feitos durante a 
replicação do DNA.
Mutações envolvendo muitos pb
• Deleções: uma região do DNA é eliminada. Pode significar 
a remoção de vários genes! Pode ser letal, caso um desses 
genes exerça uma função essencial à célula. 
• Essas deleções não podem ser revertidas por novas 
mutações. O fenótipo pode ser restaurado apenas por 
recombinação gênica. 
Taxas de mutação
• Frequência de erros durante a replicação do DNA varia de 10-7a 
10-11 por par de base durante um único ciclo de replicação. 
• 1 gene= 1000 pares de bases - frequência de mutação de 10-4 a 
10-8 por geração. 
• Vírus podem apresentar taxas de erros de 100 a 
1000 vezes superiores!!!!
Agentes mutagênicos
• Ácido nitroso – pode converter a adenina em 
uma forma que não permite o pareamento com 
a timina.
• Análogos de base – moléculas estruturalmente 
similares às bases nitrogenadas, mas possuem 
propriedades de pareamento de bases 
levemente alteradas.
Bromouracil=Guanina
2-Aminopurina=Citosina 
Radiações mutagênicas
• Ionizantes
• Não ionizantes
• Bases nitrogenadas absorvem radiação ultravioleta: pico 
em 260 nm. 
• Proteínas absorvem com pico em 280 nm (triptofano, 
fenilalanina e tirosina). 
Radiação ionizante
• Forma mais poderosa de radiação: raios X, raios 
cósmicos e raios gama. 
• Provocam a ionização da água e de outras 
substâncias. Formação de radicais livres (OH-) 
que inativam macromoléculas celulares. 
Mutações decorrentes do reparo do DNA
• Dímero de pirimidina – não for removido –
célula morre!
Alterações na taxa de mutação
• Alterações na taxa de mutação
Deinococcus radiodurans é 20 vezes mais resistente à 
radiação UV e 200 vezes mais resistente à radiação 
ionizante que a E. coli!
Sistemas redundantes de reparo de DNA!
Sobrevive onde outros organismos são incapazes de 
sobreviver. 
Transferência genética
• Transformação – captação do DNA livre por uma célula 
receptora;
• Conjugação – mediada por plasmídio (fragmento 
circular do DNA que tem replicação independente). 
Requer contato de célula a célula. As células devem 
apresentar padrões distintos para a presença de 
plasmídio.
• Transdução – transferência do DNA por intermédio de 
um vírus.
Experimento de Griffth -
TRANSFORMAÇÃO
Etapas da transformação
• Competência – determinada geneticamente; regulada; envolve 
proteínas na captação e processamento do DNA (autolisinas, 
nucleases, etc). Bacillus: quorum sensing. 
• Captação do DNA – DNA de fita simples X fita dupla. 
• Integração do DNA transformante – recombinação. 
• Gêneros de bactérias naturalmente competentes –
Acinetobacter, Azotobacter, Bacillus, Streptococcus, 
Haemophilus, Neisseria, Thermus.
Conjugação