I batteri e scissione binaria: teoria per i test di ingresso

Le domande relative alla genetica dei batteri compaiono spesso nei test di ingresso: vengono richieste nozioni sulla scissione binaria, su come i batteri riescano a scambiare geni e sulle implicazioni di questi processi nel conferimento di resistenza agli antibiotici o altre caratteristiche. Qui si spiega ciò che serve sapere per rispondere correttamente a quesiti di questo tipo, analizzando i principali meccanismi di variazione genetica nei batteri.

Riproduzione asessuata e variabilità genetica

La riproduzione nei batteri avviene tramite scissione binaria: prima di ogni divisione, il DNA batterico viene duplicato e ciascuna cellula figlia riceve una copia completa del patrimonio genetico. Questo sistema di divisione mantiene il materiale ereditario pressoché invariato, a meno che non intervengano mutazioni. Tuttavia, i batteri possiedono meccanismi per scambiare geni e aumentare la variabilità genetica all’interno della popolazione. Tali processi sono:

• Trasformazione
• Trasduzione
• Coniugazione

Trasformazione

La trasformazione consiste nell’acquisizione di frammenti di DNA liberi nell’ambiente, rilasciati da altri batteri (magari perché morti). Se il batterio è competente, cioè dotato di recettori che riconoscono e assorbono DNA, integra il tratto di DNA esogeno nel proprio genoma. Questa integrazione sostituisce la regione omologa del DNA batterico, generando nuove combinazioni di geni.Alcuni batteri non sono naturalmente competenti; in laboratorio, si possono rendere tali con tecniche specifiche che permettono di inserire DNA estraneo in modo controllato.

Trasduzione

La trasduzione sfrutta batteriofagi (virus che infettano batteri) come vettori di geni da un batterio donatore a uno ricevente. Esistono due tipologie principali di trasduzione:

• Generalizzata: un frammento di DNA batterico viene racchiuso nel capside del fago in modo casuale, al posto del DNA virale. Quando il fago infetta una nuova cellula, il frammento trasferito può ricombinarsi col genoma del batterio ricevente.
• Specializzata: solo una porzione di DNA batterico adiacente al punto di inserimento del fago è trasferita alla nuova cellula. Questo accade quando il fago si “stacca” in modo impreciso dal cromosoma del batterio donatore.

Plasmidi e coniugazione

Molti batteri possiedono, oltre al cromosoma principale, piccole molecole di DNA circolare dette plasmidi, che contengono pochi geni spesso legati a caratteristiche utili (ad esempio, la resistenza a un antibiotico). I plasmidi si replicano autonomamente e possono, in alcuni casi, integrarsi nel cromosoma o trasferirsi con facilità da un batterio all’altro.

Il plasmide F e il processo di coniugazione

Un plasmide noto è il plasmide F (F come “fertilità”) di Escherichia coli. Esso permette la coniugazione, un meccanismo nel quale il DNA plasmidico viene trasferito a un batterio privo di plasmide attraverso un ponte citoplasmatico formato da speciali appendici chiamate pili coniugativi.

• I batteri che possiedono il plasmide F sono detti F+.
• I batteri che ne sono sprovvisti sono detti F-.

Durante la coniugazione:

1. La cellula F+ duplica il proprio plasmide F.
2. Una copia è trasferita alla cellula F- attraverso il pilo coniugativo.
3. La cellula F- diventa così F+, acquisendo la capacità di dare inizio a sua volta a nuove coniugazioni.

Cellule Hfr e trasferimento del cromosoma

Talvolta, il plasmide F si integra nel cromosoma batterico, trasformando la cellula F+ in una cellula Hfr (High frequency of recombination). In questi casi, durante la coniugazione, possono essere trasferite anche porzioni del cromosoma dell’ospite, che arrivano nella cellula ricevente e si ricombinano con il DNA già presente.

Ciò genera combinazioni genetiche aggiuntive e contribuisce alla variabilità della popolazione batterica.

Nuovo esempio di coniugazione

In alcuni esperimenti, un plasmide che conferisce la capacità di metabolizzare un particolare zucchero è stato rilevato in batteri che non lo possedevano in precedenza. Grazie a un ciclo di coniugazione, un batterio donatore in grado di utilizzare quello zucchero ha trasferito il plasmide ai batteri riceventi.

Questi, una volta divenuti F+, hanno assunto la stessa abilità metabolica, costituendo un’evidente prova della rapidità con cui i batteri scambiano informazioni genetiche utili.

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