Cuando se completó la primera secuencia de un genoma microbiano en 1995, la información era que, unas pocas docenas de genomas, elegidas por su diversidad adecuada, podrían agotar el rango de variabilidad en como los genes pueden ser ‘ensamblados’ para ‘hacer’ microbios. Pero a medida, que el número de genomas secuenciados se acerca a los 500, pareciera que no se tiene un límite en cuanto a la manera en que los genes pueden realizar arreglos (Cromosomas lineales o circulares, en uno o muchos, compactados – Como en muchos microbios eucariotas – separados por ADN ‘basura’ de 10 veces su longitud). El número de genes en una bacteria no simbiótica va desde los 500 hasta los 10,000 o más; el genoma bacterial más grande es más del doble de tamaño que el más pequeño de los genomas eucariotas. Por el contrario, los genomas de muchos microbios parásitos o simbióticos son muy reducidos, no teniendo la cantidad suficiente de genes para sobrevivir de forma independiente a sus anfitriones.

Incluso, dentro de un cultivo clonal simple, establecido a partir de una sola célula, es probable que haya múltiples formas de genomas. Muchas bacterias, especialmente las patógenas, han elaborado mecanismos para reacomodar sus genes. Los mecanismos sirven como interruptores de mutación, lo que garantiza que, si el medio ambiente del microorganismo cambia, debido a condiciones químicas, físicas o biológicas, habrá variantes en la población que pueda florecer. Por ejemplo, no importa que el sistema inmunitario del huésped se defienda contra el patógeno, habrá unas variantes resistentes en la población del mismo. La variabilidad también se logra mediante el intercambio entre los genomas: la recombinación (Similar al intercambio genético que se produce en la reproducción sexual) constantemente redistribuye las variantes (Alelos) de los genes en la población, generando nuevas combinaciones de adaptación. Los plásmidos, pequeños y frecuentemente auto-transmisibles paquetes de genes que codifican las funciones relativas al medio ambiente, son abundantes.

Es, sin embargo, la omnipresencia de la transferencia lateral de genes entre especies la que reta de manera más profunda la noción de que una especie bacterial simple tiene un solo genoma. Varios procesos naturales (Transporte por virus, ‘apareamiento’ bacterial, la captación directa del AND del ambiente) llevan información genética de una especie a otra. Estos procesos están regulados y preservados evolutivamente; se activan cuando es más probable que resulten en la transferencia de genes, y los que deben funcionar juntos a menudo son transferidos entre sí, formando ‘islas’ genómicas (Islas de patogenicidad, islas de simbiosis o islas de biodegradación). La plasticidad genómica es una estrategia evolutiva. No se tiene una secuencia simple que pueda identificarse como la secuencia genómica de la especia bacterial Escherichia coli, por ejemplo. Y las variaciones son decisivas, no como las diferencias triviales que se encuentran para la gran parte de la variación de 0.1% entre los seres humanos. Cuando los genomas de varias cepas de la misma especie (Como la mencionada E. coli K12, O157:H7 y al menos otra docena disponible) se comparan, difieren hasta en un 25% en el tamaño del genoma y en el número y tipo de genes que llevan. De hecho, los genes que son compartidos por todas las cepas secuenciadas de E. coli representan menos del 40% de los genes presentes en la especie como un conjunto. Los genomicistas microbianos han comenzado a pensar en términos de ‘genomas de especies’ microbianos o pangenomas, que constan de un núcleo de genes compartidos por todas las cepas de una especie y una ‘biblioteca’, tal vez mucho más grande, de los genes auxiliares que se encuentran en algunos miembros de la especie, sino es que en todos.

Sondear el grado de diversidad genómica es una enorme tarea, la cual es mejor llevada a cabo por los enfoques metagenómicos (II Carnaval de Biología – Metagenómica). Con los métodos experimentales y computacionales adecuados, las secuencias de genes del entorno, pueden ser desechados (Agrupados estadísticamente) en pangenomas provisionales, basados en las características de composición y lugar de la recuperación. A medida que los datos se acumulan, la definición de que constituye un genoma microbiano será mejor y los principios subyacentes que gobiernan la posibilidad genómica de los microbios podrían emerger. El tener una estructura genómica más flexible y dinámica, es una estrategia fundamental de vida para diferenciar entre bacterias y arqueas por un lado y eucariotas, por el otro ¿Cuáles son sus ventajas y sus límites? ¿Puede la comprensión del fenómeno ayudar a explicar la aparición de organismos multicelulares que tienen genomas más rígidos?

Esta entrada participa en el VI Carnaval de Biología, hospedado este mes en el blog (Pendiente).

Referencia:

Insights on Biology and Evolution from Microbial Genome Sequencing

Claire M. Fraiser-Liggett