Genética bacteriana

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Observe que as bactérias são haploides; em outras palavras, possuem um único 
cromossomo e, portanto, uma única cópia de cada gene. As células eucarióticas (como 
as células humanas) são diploides, significando que apresentam um par de cada 
cromossomo e, portanto, possuem duas cópias de cada gene. Em células diploides, 
uma cópia de um gene (alelo) pode ser expressa como uma proteína, isto é, ser 
dominante, enquanto outro alelo pode não ser expresso, isto é, ser recessivo. Em 
células haploides, qualquer gene que tenha sofrido mutação – e, portanto, não é 
expresso – resulta em uma célula desprovida daquela característica. 
 
Mutações 
 
Mutação é uma modificação na sequência de bases do DNA, que geralmente resulta 
na inserção de um aminoácido diferente em uma proteína e no surgimento de um 
fenótipo alterado. As mutações resultam de três tipos de alterações moleculares: 
 
(1) O primeiro tipo consiste na substituição de bases. Isso ocorre quando uma base 
é inserida em substituição a outra. A substituição de bases ocorre no momento 
da replicação do DNA, porque a DNA polimerase comete um erro ou porque um 
agente mutagênico altera a formação das pontes de hidrogênio da base utilizada 
como molde de tal maneira que uma base errada é inserida. Quando a 
substituição de bases resulta em um códon que simplesmente promove a 
inserção de um aminoácido diferente, a mutação é denominada mutação de 
sentido trocado; quando a substituição de bases origina um códon de 
terminação, que interrompe prematuramente a síntese proteica, a mutação é 
denominada mutação sem sentido. As mutações sem sentido quase sempre 
destroem a função proteica. 
(2) O segundo tipo de mutação corresponde à mutação de alteração de fase. 
Ocorre quando um ou mais pares de bases são adicionados ou deletados, 
alterando a fase de leitura do ribossomo, e resulta na incorporação dos 
aminoácidos errados “a jusante” à mutação e produção de uma proteína inativa. 
(3) O terceiro tipo de mutação ocorre quando transposons ou sequências de 
inserção integram-se ao DNA. Essas porções recém-inseridas de DNA podem 
causar profundas modificações nos genes onde são inseridos, bem como nos 
genes adjacentes. 
 
 
Genética Bacteriana 
As mutações podem ser causadas por compostos químicos, radiação ou vírus. Os 
compostos químicos atuam de várias formas diferentes. 
 
(1) Alguns, como o ácido nitroso e os agentes alquilantes, alteram a base existente 
de modo a formar uma ponte de hidrogênio preferencialmente com a base errada. 
Por exemplo, a adenina deixa de parear com a timina, pareando-se com a 
citosina. 
(2) Alguns compostos químicos, como 5-bromouracula, correspondem a análogos de 
bases, pois são similares às bases normais. Uma vez que o átomo de bromo 
apresenta um raio atômico similar àquele de um grupo metil, a 5-bromouracila 
pode ser inserida em substituição à timina (5-metiluracila). Entretanto, a 5-
bromouracila apresenta menor fidelidade na formação de pontes de hidrogênio 
que a timina e, desse modo, liga-se à guanina com maior frequência. Isto resulta 
em uma transição de um par de bases A-T para um par de bases G-C, originando, 
assim, uma mutação. O fármaco antiviral iododesoxiuridina atua como um 
análogo da base timidina. 
(3) Alguns compostos químicos, como o benzopireno, encontrado na fumaça do 
tabaco, ligam-se às bases existentes no DNA, causando mutações de alteração 
de fase. Esses compostos químicos, frequentemente carcinogênicos e 
mutagênicos, intercalam-se entre bases adjacentes, distorcendo e 
desorganizando a sequência de DNA. 
Os raios-X e a luz ultravioleta também podem causar mutações. 
 
(1) Os raios-X exibem alta energia e podem danificar o DNA de três maneiras: (a) 
clivando as ligações covalentes que mantêm unida a cadeia de ribose fosfato, (b) 
produzindo radicais livres capazes de atacar as bases e (c) alterando os elétrons 
nas bases e, desse modo, modificando suas pontes de hidrogênio. 
(2) A radiação ultravioleta, que exibe energia mais baixa que os raios-X, promove a 
ligação cruzada de bases pirimídicas adjacentes, formando dímeros. Essa ligação 
cruzada, por exemplo, de timinas adjacentes formando um dímero de timina, 
resulta na incapacidade do DNA de replicar-se apropriadamente. Determinados 
vírus, como o vírus bacteriano MU (bacteriófago mutador), provocam uma elevada 
frequência de mutações quando seu DNA é inserido no cromossomo bacteriano. 
Uma vez que o DNA viral pode ser inserido em vários sítios distintos, podem 
ocorrer mutações em genes variados. Estas mutações podem ser de alteração de 
fase ou deleções. 
 
Mutações letais-condicionais são de interesse médico porque podem ser úteis em 
vacinas, como a vacina contra gripe, por exemplo. O termo “condicional” indica que 
a mutação é expressa apenas em determinadas condições. As mutações letais-
condicionais mais importantes são aquelas sensíveis à temperatura. Organismos 
sensíveis à temperatura são capazes de replicar-se a uma temperatura permissiva 
relativamente baixa, por exemplo, a 32ºC, mas não são capazes de crescer a uma 
temperatura restritiva mais elevada, como, por exemplo, a 37°C, devido à 
conformação alteração na temperatura mais elevada. Um exemplo de um mutante 
letal-condicional de importância médica corresponde a uma linhagem de 
influenzavírus atualmente utilizada em uma vacina experimental. Essa vacina 
contém um vírus incapaz de crescer a 37°C e, portanto, incapaz de infectar os 
pulmões e causar pneumonia, porém capaz de crescer a 32°C no nariz, onde pode 
replicar-se e induzir a imunidade. 
 
Transferência de DNA no interior de células bacterianas 
Os transposons são segmentos de DNA que se deslocam prontamente de um sítio a 
outro, tanto no interior, como entre os DNA’s de bactérias, plasmídeos e bacteriófagos. 
Em virtude de sua capacidade incomum de movimentar-se, estes são apelidados de 
genes saltadores. Esses elementos podem codificar enzimas de resistência a fármacos, 
toxinas, ou uma variedade de enzimas metabólicas, bem como podem causar mutações 
no gene onde estão inseridos, ou alterar a expressão de genes próximos. 
Os transposons tipicamente apresentam quatro domínios identificáveis. Em cada 
extremidade há uma sequência curta de DNA contendo repetições invertidas, as quais 
estão envolvidas na integração do transposon ao DNA receptor. O segundo domínio 
corresponde ao gene da transposase, a qual consiste na enzima que medeia os 
processos de excisão e integração. A terceira região consiste no gene do repressor, 
que regula a síntese tanto da transposase como do produto gênico do quarto domínio, 
que, em muitos casos, corresponde a uma resistência a antibióticos mediada por 
enzimas. 
Contrariamente aos plasmídeos ou vírus bacterianos, os transposons são incapazes de 
replicar-se de forma independente; eles se replicam como parte do DNA receptor. Mais 
de um transposon pode estar localizado no DNA; por exemplo, um plasmídeo pode 
conter vários transposons carreando genes de resistência a fármacos. As sequências 
de inserção correspondem a um tipo de transposon que possuem menor número de 
bases (800-1500 pares de bases), uma vez que estas não codificam suas próprias 
enzimas de integração. Essas sequências podem causar mutações em seu sítio de 
integração e podem estar presentes em múltiplas cópias nas extremidades de 
transposons maiores. 
Os transposons transferem o DNA de um sítio do cromossomo bacteriano a ouro, ou 
para um plasmídeo. Realizam o processo por meio da síntese de uma cópia de seu 
DNA e inserção da cópia em outro sítio do cromossomo bacteriano ou do plasmídeo. 
 
A transferência de um transposon para um plasmídeo e a subsequente transferência 
do plasmídeo para outra bactérias por conjugação contribuem significativamente para 
a disseminação da resistência a antibióticos. 
A transferência de DNA no interior de bactérias também ocorre por rearranjos 
programados. Esses rearranjos gênicos são responsáveis por muitas das alteraçõesantigênicas observadas em Neisseria gonorrhoeae Borrelia recurrentis, a causa da 
febre recorrente. Um rearranjo programado consiste na movimentação de um gene a 
partir de um sítio silencioso de armazenamento, em que o gene não é expresso, para 
um sítio ativo onde ocorrem a transcrição e a tradução. Existem muitos genes 
silenciosos que codificam variantes dos antígenos, e a inserção de um novo gene no 
sítio ativo de maneira sequencial, repetida e programada consiste na fonte da variação 
antigênica consistente. 
 
 
Transferência de DNA entre células bacterianas 
 
A transferência de informação genética de uma célula a outra pode ocorrer por três 
métodos: conjugação, transdução e transformação. Do ponto de vista médico, a 
consequência mais importante da transferência de DNA é o fato dos genes de 
resistência a antibióticos serem disseminados de uma bactéria a outra por estes 
processos. 
 
(1) A conjugação corresponde ao acasalamento de duas células bacterianas, 
durante a qual o DNA é transferido da célula doadora à receptora. Esse processo 
de acasalamento é controlado por um plasmídeo F (fertilidade) (fator F), que 
acarreia os genes das proteínas necessárias à conjugação. Uma das proteínas 
mais importantes corresponde à pilina, a qual forma o pilus sexual (tubo de 
conjugação). O acasalamento é iniciado quando o pilus da bactéria macho 
coadora, que carreia o fator F (F+), liga-se a um receptor da superfície da bactéria 
fêmea receptora, que não contém um fator F (F-). As células então estabelecem 
contato direto pela “retração” do pilus. Após uma clivagem enzimática do DNA do 
fator F, uma fita é transferida através da ponte de conjugação ao interior da célula 
receptora. O processo é completado pela síntese da fita complementar, 
originando um plasmídeo de fita dupla com o fator F, tanto na célula doadora 
como na receptora. A célula receptora torna-se uma célula F+ masculina, capaz 
de transmitir o plasmídeo. Observe que, nessa circunstância, somente o fator F, 
e não o cromossomo bacteriano, foi transferido. 
 
Algumas células F+ apresentam seu plasmídeo F integrado ao DNA bacteriano e, 
portanto, adquirem a capacidade de transferir o cromossomo para outra célula. Essas 
células são denominadas células Hfr -high frequency recombination – alta frequência 
de recombinação). Durante essa transferência, a fita simples de DNA que penetra na 
célula F- receptora contém um segmento do fator F na extremidade líder, seguido pelo 
cromossomo bacteriano e, em seguida, pelo restante do fator F. O tempo necessário à 
transferência completa do DNA bacteriano é de aproximadamente 100 minutos. A 
maioria dos acasalamentos resulta na transferência de apenas uma porção do 
cromossomo doador, uma vez que a ligação entre as duas células pode se romper. Os 
genes da célula doadora que são transferidos variam, uma vez que o plasmídeo F pode 
integrar-se em vários sítios distintos do DNA bacteriano. Os genes bacterianos 
adjacentes à porção líder do fator F são os primeiros e, portanto, os mais 
frequentemente transferidos. O DNA recém-adquirido pode recombinar-se com o DNA 
do receptor, tornando-se um componente estável de seu material genético. 
 
(2) A transdução consiste na transferência de DNA celular por meio de um vírus 
bacteriano (bacteriófago, fago). Durante o crescimento do vírus no interior da 
célula, uma porção do DNA bacteriano é incorporada na partícula viral, sendo 
transferido para a célula receptora durante a infecção. No interior da célula 
receptora, o DNA do fago pode integrar-se ao DNA celular e a célula pode adquirir 
uma nova característica, processo denominado conversão lisogênica. Esse 
processo pode transformar um organismo não patogênico em patogênico. As 
toxinas diftérica, botulínica, colérica e eritrogênicas são codificadas por 
bacteriófagos e podem ser transferidas por transdução. 
 
Existem dois tipos de transdução, generalizada e especializada. O tipo generalizado 
ocorre quando o vírus carreia um segmento derivado de qualquer região do 
cromossomo bacteriano. Isso ocorre porque o DNA celular é fragmentado após a 
infecção pelo fago e porções do DNA celular de mesmo tamanho que o DNA viral são 
incorporadas à partícula viral com uma frequência de cerca de uma a cada 100 
partículas virais. O tipo especializado ocorre quando o DNA do vírus bacteriano, que foi 
integrado ao DNA celular, é excisado e carreia uma porção do DNA celular adjacente. 
Uma vez que a maioria dos fagos lisogênicos (temperados) integra-se em sítios 
específicos no DNA bacteriano, os genes celulares adjacentes transduzidos geralmente 
são específicos daquele vírus. 
Ilhas de patogenicidade 
Ilhas de patogenicidade são frequentemente transportadas por fagos. Por exemplo, dois 
fagos transportam ilhas de patogenicidade responsáveis pela conversão de uma forma 
benigna do Vibrio cholerae na forma patogênica responsável pela cólera epidêmica. 
Esses fagos codificam genes para a toxina do cólera (responsável pelos sintomas e dos 
pili bfp (Bunble forming pili) formadores de tufos responsáveis pela aderência. 
A velocidade com que os fagos se combinam e se replicam fez com que eles se 
tornassem objeto central para o estudo desses processos, tendo surgido muitas 
generalizações acerca dos mecanismos subjacentes a partir da genética dos fagos. A 
capacidade dos fagos de efetuar rápidas réplicas de seu DNA torna-os valiosos para a 
engenharia genética. De especial valor são os fagos recombinantes elaborados por 
engenharia que contêm inserções de DNA de outras fontes biológicas. O DNA inserido 
pode ser replicado com a velocidade que caracteriza o DNA do fago e recuperado em 
uma forma útil para manipulação. 
(3) A transformação consiste na transferência do próprio DNA de uma célula a outra. 
Isso ocorre por um dos dois métodos seguintes. Na natureza, bactérias em 
processo de morte podem liberar seu DNA, o qual pode ser captado por células 
receptoras. Existem poucas evidências indicando que esse processo natural 
desempenhe papel significativo na doença. Em laboratório, um pesquisador pode 
extrair DNA de um tipo bacteriano e introduzi-lo em bactérias geneticamente 
distintas. Quando um DNA purificado é injetado no núcleo de uma célula 
eucariótica, o processo é denominado transfecção. A transfecção é 
frequentemente utilizada em procedimentos de engenharia genética. 
O uso experimental da transformação revelou importantes informações sobre o DNA. 
Em 1944, demonstrou-se que o DNA extraído de pneumococos capsulados lisos era 
capaz de transformar pneumococos acapsulados rugosos em organismos capsulados 
lisos. Essa demonstração de que o princípio de transformação correspondia ao DNA 
consistiu na primeira evidência de que o DNA correspondia ao material genético. 
 
 
Recombinação 
Uma vez transferido o DNA da célula doadora para a receptora por um dos três 
processos descritos anteriormente, este pode ser integrado ao cromossomo da célula 
hospedeira por recombinação. Existem dois tipos de recombinação: 
(1) A recombinação homóloga, em que dois segmentos de DNA exibindo extensas 
regiões de homologia pareiam-se e permutam porções pelos processos de 
clivagem e religação. 
(2) A recombinação não homóloga, em que pouca ou nenhuma homologia é 
necessária. 
Deferentes loci genéticos dirigem estes dois tipos e, desse modo, presume-se que 
enzimas diferentes 
estejam 
envolvidas. Embora saibamos que uma variedade de endonucleases e ligases estão 
envolvidas, a sequência exata de eventos é desconhecida. 
 
Fármacos antimicrobianos: RESISTÊNCIA 
 
Há quatro mecanismos principais que medeiam a resistência das bactérias aos 
fármacos. (1) As bactérias produzem enzimas que inativam o fármaco, e, por exemplo, 
B-lactamases podem inativar penicilinas e cefalosporinas pela clivagem do anel B-
lactâmico do fármaco. (2) As bactérias sintetizam alvos modificados, contra os quais 
os fármacos não têm efeito; por exemplo, uma proteína mutante na subunidade 
ribossomal30S pode resultar em resistência à estreptomicina, assim como um rRNA 
23S metilado pode resultar em resistência à eritromicina. (3) As bactérias reduzem sua 
permeabilidade de modo que uma concentração intracelular efetiva do fármaco não é 
obtida; por exemplo, modificações nas porinas podem reduzir a quantidade de penicilina 
que entra na bactéria. (4) As bactérias exportam os fármacos ativamente 
empregando uma “bomba de resistência a múltiplos fármacos” (bomba MDR, ou bomba 
de efluxo). A bomba MDR importa prótons e, em uma reação do tipo permutação, 
exporta uma variabilidade de moléculas exógenas, incluindo certos antibióticos, como 
as quinolonas. 
Grande parte da resistência ao fármaco deve-se a uma modificação genética do 
organismo, quer seja uma mutação cromossomal quer a aquisição de um plasmídeo ou 
transposon. 
Há uma probabilidade significativamente aumentada de infecções hospitalares serem 
causadas por organismos resistentes a antibióticos, quando comparadas às infecções 
adquiridas na comunidade. Esse fato é especialmente verdadeiro no caso de infecções 
hospitalares causadas pro Staphylococcus aureus e bacilos entéricos gram-negativos, 
como Escherichia coli e Pseudomonas aeruginosa. Os organismos resistentes a 
antibióticos são comuns em ambientes hospitalares, uma vez que a ampla utilização de 
antibióticos em hospitais promove a seleção destes organismos. 
 
 
Base genética da resistência 
Resistência mediada por cromossomos 
A resistência cromossomal deve-se a uma mutação no gene que codifica o alvo do 
fármaco ou o sistema de transporte de membrana que controla a capação do fármaco. 
 
Resistência mediada por plasmídeos 
Do ponto de vista clínico, a resistência mediada por plasmídeos exibe grande 
importância por 3 razões: 
(1) Ocorre em várias espécies diferentes, especialmente em bacilos gram-negativos; 
(2) Os plasmídeos frequentemente mediam a resistência a múltiplos fármacos; 
(3) Os plasmídeos exibem uma alta taxa de transferência de uma célula a outra, 
geralmente por conjugação. 
Plasmídeos de resistência (fatores de resistência, fatores R) são moléculas de DNA de 
fita dupla extracromossomais e circulantes que carreiam os genes de uma variedade 
de enzimas capazes de degradar antibióticos e modificar os sistemas de transporte de 
membrana. 
Os fatores R podem carrear um gene de resistência a antibióticos ou podem carrear 
dois ou mais desses genes. A implicação médica de um plasmídeo carrear mais de um 
gene de resistência é dupla: primeiro, e mais óbvio, é o fato de uma bactéria contendo 
aquela plasmídeo poder ser resistente a mais de uma classe de antibióticos, e, 
segundo, o uso de um antibiótico que seleciona um organismo resistente a outro 
antibiótico cujos genes de resistência sejam carreados pelo plasmídeo. 
Além da produção de resistência a fármacos, os fatores R apresentam duas 
propriedades muito importantes: (1) podem replicar-se independentemente do 
cromossomo bacteriano; assim, uma célula pode conter várias cópias, e (2) podem ser 
transferidos não somente a células da mesma espécie, mas também a outras espécies 
e gêneros. 
 
Ademais, para além de conferir resistência a antibióticos, os fatores R transmitem duas 
outras características: (1) resistência a íons metálicos (p. ex., codificam uma enzima 
que reduz íons mercúricos a mercúrio elementar) e (2) resistência a certos vírus 
bacterianos por codificarem endonucleases de restrição que degradam o DNA de 
bacteriófagos infectantes. 
 
Resistência mediada por transposon 
Os transposons são genes transferidos no interior do DNA ou entre grandes segmentos 
deste, como o cromossomo bacteriano e os plasmídeos. Um típico transposon de 
resistência a fármacos é composto por três genes flanqueados em ambos os lados por 
sequências de DNA mais curtas, geralmente uma série de bases repetidas invertidas 
que medeiam a interação do transposon com o DNA maior. Os 3 genes codificam (1) a 
transposon, (2) um repressor que regula a síntese da transposase, e (3) o gene de 
resistência ao fármaco.