Escherichia coli ha sido la bacteria más estudiada y el sistema biológico por excelencia en biotecnología, especialmente en la producción de proteínas recombinantes.
En la década de los 70 del siglo pasado, Escherichia coli protagonizó un hito dentro de la ciencia, específicamente en el área de la ingeniería genética: Los científicos lograron insertar los genes responsables de codificar la insulina humana dentro de la bacteria, lográndose producir cantidades importantes de la hormona para tratar la diabetes. El rendimiento obtenido fue mucho mayor en comparación con el sistema anteriormente usado, que consistía en obtenerla del páncreas del cerdo.
La historia de Escherichia coli inicia formalmente en 1885, cuando fue descrita por el bacteriólogo alemán Theodore von Escherich quien en su momento la llamó Bacterium coli commune, siendo clasificada posteriormente por la taxonomía como Escherichia coli, en honor a su descubridor. De allí en adelante, se ha convertido en unos de los microorganismos más estudiados, si no en el mayor.
En este post, vamos a conocer un poco sobre esta bacteria, la cual coloniza nuestro sistema gastrointestinal a pocos momentos luego de nacer, proporcionándonos protección de otras bacterias patógenas y ayudándonos el resto de nuestras vidas al buen funcionamiento de nuestros procesos digestivos. Pero que hoy en día va más allá de eso, siendo el “caballito de batalla” por excelencia de la biotecnología para la producción de proteínas recombinantes en muchas áreas de interés.
Con esto en mente, entremos en materia.
ÍNDICE.
-Quién es Escherichia coli.
-Ventajas de Escherichia coli como sistema biológico.
-Usos de Escherichia coli en biotecnología.
-Conclusiones.
-Bibliografía.
-Glosario.
QUIÉN ES ESCHERICHIA COLI.
Escherichia coli es una bacteria de forma bacilar clasificada como gramnegativa, anaerobia facultativa, mesófila, fimbriada y móvil debido a la presencia de flagelos perítricos. Se clasifica taxonómicamente de la siguiente manera:
Dominio: Bacteria
Filo: Proteobacteria
Clase: Gammaproteobacteria
Orden: Enterobacteriales
Familia: Enterobacteriaceae
Género: Escherichia
Especie: E. coli
Escherichia coli forma parte de la microbiota existente en el tracto gastrointestinal de los animales homeotermos, entre los cuales se encuentra el ser humano, siendo la bacteria más abundante y además esencial para el correcto funcionamiento del sistema digestivo.
Sin embargo, cabe destacar que, a pesar de sus múltiples beneficios, entre los cuales se cuenta su participación en la absorción de nutrientes y en la producción de las vitaminas B y K, en su forma patogénica existen cepas de esta bacteria asociadas a infecciones gastrointestinales y de los sistemas urinario, sanguíneo y nervioso. Incluso, las mismas cepas comensales que son inocuas, pueden producir infecciones en personas inmunodeprimidas.
Escherichia coli es, actualmente, un sistema biológico ampliamente utilizado por la ingeniería genética para la producción biotecnológica.
VENTAJAS DE ESCHERICHIA COLI COMO SISTEMA BIOLÓGICO.
A continuación, mencionaré las características favorables que han hecho de Escherichia coli un organismo modelo e ideal para su uso en investigación básica, microbiología industrial y biotecnología:
1.Velocidad de crecimiento.
El tiempo de duplicación de Escherichia coli es de alrededor de 18 minutos en un medio de cultivo rico, como suelen hacerse crecer estas bacterias para fines de producción industrial. Esto le confiere una gran ventaja en comparación con otras bacterias, ya que incluso en las condiciones más favorables, muchos microorganismos crecen más lentamente que Escherichia coli, requiriendo horas o hasta días para duplicar su cantidad. El hecho de que se duplique tan rápidamente, permite acortar los procesos productivos y obtener mayores tasas de rendimiento del producto final en la etapa del cultivo celular.
2.Requerimientos nutricionales sencillos.
Escherichia coli es catalogada como un microorganismo ‘no exigente’. Esta bacteria solo requiere de una fuente de carbono, de nitrógeno, de fósforo, de azufre, de elementos traza y de factores de crecimiento orgánicos. En un medio de cultivo rico que supla estas necesidades nutricionales básicas, crecerá de forma óptima.
3. Facilidad de cultivo.
Su cultivo en un laboratorio es muy sencillo. Crece a un pH óptimo de 6 a 7 y a una temperatura óptima de 37⁰C. En un cultivo líquido, debe proporcionarse agitación moderada para la correcta distribución de los nutrientes en el caldo y que de esa forma se hagan más disponibles. En general, sus condiciones de cultivo no son engorrosas ni complicadas. No requiere de sistemas ni condiciones muy especiales para cultivarse.
4.Amplia bibliografía.
Escherichia coli es quizás el organismo procariota más estudiado. Fue uno de los primeros organismos de los que se obtuvo la secuencia de su código genético, profundizando nuestra comprensión de cómo funciona el ADN para todos los seres vivos. Se dice que el científico Jacques Monod lo expresó así: “Lo que es válido para la bacteria Escherichia coli, es válido para el elefante”. Es decir, que muchas de sus propiedades genéticas son extrapolables a nosotros mismos y a muchos otros organismos vivos.
5.Estructura genómica flexible.
Escherichia coli es bastante versátil, pues permite la movilidad del material genético por varios medios tales como: transposones, secuencias de inserción, bacteriófagos y plásmidos. Esto le confiere eficiencia transcripcional y transduccional.
6.Bajo costo.
Al ser una bacteria tan bien caracterizada desde el punto de vista genético y fisiológico, la hace relativamente barata.
USOS DE ESCHERICHIA COLI EN BIOTECNOLOGÍA.
Por todas las razones antes mencionadas, Escherichia coli ha servido como sistema biológico ideal o ‘microorganismo estrella’ con los siguientes fines:
1.Para la producción de proteínas recombinantes y metabolitos de diversas aplicaciones.
2.Para la producción de vacunas recombinantes.
3.Para la producción de antibióticos a través de la sobreexpresión de genes.
4.Como vehículo de transporte para agentes terapéuticos contra células cancerosas.
5.Como indicador biológico de microorganismos contaminantes y de enfermedades.
6.Como microorganismo amplificador para obtener muchas copias de un fragmento de ADN de interés.
7.Para obtener plásmidos de interés biológico en su genoma, como genes de resistencia a antibióticos.
8.Muchos de sus plásmidos son usados como vectores de clonado.
9.Muchos de sus plásmidos son usados como vectores de expresión.
CONCLUSIONES
Escherichia coli es una bacteria de forma bacilar clasificada como gramnegativa, anaerobia facultativa, mesófila, fimbriada y móvil debido a la presencia de flagelos perítricos. Forma parte de la microbiota existente en el tracto gastrointestinal de los animales homeotermos, entre los cuales se encuentra el ser humano, siendo la bacteria más abundante y además esencial para el correcto funcionamiento del sistema digestivo. Sin embargo, en su forma patogénica existen cepas de esta bacteria asociadas a infecciones gastrointestinales y de los sistemas urinario, sanguíneo y nervioso.
Escherichia coli es, actualmente, un sistema biológico ampliamente utilizado por la ingeniería genética para la producción biotecnológica. Esto se debe a que goza de varias ventajas tales como: Alta velocidad de crecimiento, requerimientos nutricionales sencillos, es fácil de cultivar, su estructura genómica es flexible, es relativamente barata para los procesos industriales y está extensamente, por lo cual su bibliografía es abundante.
Escherichia coli se usa en biotecnología para la producción de proteínas y metabolitos, vacunas y antibióticos, también como indicador de patologías y amplificador de genes de interés, y para usar sus plásmidos como vectores de clonado y de expresión.
En resumen, Escherichia coli es la “microfábrica” ideal: es fácil de cultivar, no requiere mucha energía ni demanda condiciones de vida sofisticadas, crece muy rápidamente y acepta las modificaciones genéticas de manera flexible. Por ello, es usada como el sistema biológico por excelencia para la producción de productos recombinantes. Con las instrucciones correctas, puede ser modificada para producir rápidamente cientos de genes de proteínas específicas. Y algo que es crucial: puede ser modificada con facilidad y replicada rápidamente.
Esto es todo por el tema de hoy. Espero que hayas disfrutado de esta publicación, te haya parecido interesante y sea útil para ti.
Saludos,
Liliana Berlioz.
Presidente y Directora Ejecutiva.
Biotech Consulting, LLC.
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GLOSARIO.
ADN (Ácido Desoxirribonucleico). Proteína compleja que se encuentra en el núcleo de las células y constituye el principal componente del material genético de los seres vivos.
Agentes terapéuticos.
Amplificador. Corta región del ADN eucariota que puede unirse con proteínas (factores de transcripción) para aumentar los niveles de transcripción de genes en un grupo de genes.
Anaerobio facultativo. Condición que permite a las bacterias desarrollarse tanto en presencia como en ausencia de oxígeno. Pueden desarrollar un metabolismo respiratorio, usando el oxígeno presente; o fermentativo, en ausencia de oxígeno.
Antibióticos. Sustancias químicas producida por un ser vivo o derivado sintético, que mata o impide el crecimiento de ciertas clases de microorganismos sensibles.
Bacilos. Bacteria con forma de barra o vara que se encuentran en muchos grupos taxonómicos.
Bacterias Gramnegativas. Son aquellas que no se tiñen de azul oscuro o de violeta por la tinción de Gram, y lo hacen de un color rosado tenue. Esta característica está íntimamente ligada a la estructura de la envoltura celular, que presenta doble membrana celular (una externa y la otra citoplasmática).
Fimbrias. Porción terminal de un órgano dividido en segmentos muy finos, como cilios.
Flagelos bacterianos perítricos. Estructura filamentosa que sirve para impulsar la célula. Son varios que rodean el perímetro celular.
Genoma. Conjunto de genes y disposición de los mismos en la célula.
Indicadores biológicos. Sistemas biológicos cuyos atributos permiten descifrar factores específicos.
Ingeniería genética. Proceso de la utilización de la tecnología del ADN recombinante (ADNr) para alterar la composición genética de un organismo, mediante manipulación directa de uno o más genes.
Metabolitos. Compuestos, generalmente orgánicos, que participan en las reacciones químicas que tienen lugar a nivel celular.
Mesófilos. Organismo cuya temperatura de crecimiento óptima está entre los 20 y los 45°C.
Microbiota intestinal. Conjunto de bacterias que viven en el intestino, en una relación de simbiosis tanto de tipo comensal como de mutualismo. Este conjunto forma parte de la microbiota normal.
pH. Medida de acidez o alcalinidad que indica la cantidad de iones de hidrógeno presentes en una solución o sustancia.
Plásmido. Pequeña molécula de ADN circular que a menudo se encuentran en bacterias y otras células. Los plásmidos son separados del cromosoma bacteriano y se replican independientemente de ella.
Procariotas. Son células simples y no tienen núcleo definido: su material genético (como el ADN) está libre en el citoplasma, es decir, el material que está dentro de la membrana plasmática en la célula.
Proteínas recombinantes. Son aquellas que se obtienen al expresar un gen clonado en una especie o una línea celular distinta a la célula original.
Sistema biológico. Organismo vivo empleado en un proceso de bioproducción.
Tiempo de duplicación. También conocido como el tiempo de generación, es el período que requieren las células de una población microbiana para crecer, dividirse, y dar lugar a dos nuevas células por cada una de las que existían anteriormente.
Vacuna. Preparación destinada a generar inmunidad adquirida contra una enfermedad estimulando la producción de anticuerpos.
Vacunas recombinantes. Son vacunas obtenidas usando la tecnología del ADN recombinante en alguna etapa de su producción.
Vectores de clonado. Son moléculas transportadoras que transfieren y replican fragmentos de ADN que llevan insertados mediante técnicas de ADN recombinante.
Vectores de expresión. Son plásmidos o bien bacteriófagos que se emplean con dos finalidades: generar el ARN producto de la transcripción o bien producir la proteína codificada en la secuencia génica que portan (proteína recombinante).