¿Por qué se utiliza el rRNA 16s para identificar bacterias?

Las bacterias son la forma de vida más ubicua en la tierra. La biomasa de bacterias supera la de las plantas o animales. Debido a su abundancia, la mayoría de las especies bacterianas no han sido identificadas hasta ahora. La identificación tradicional de bacterias se basa en las características fenotípicas, que no son precisas como métodos genotípicos. La comparación de la secuencia 16S rRNA ha surgido como el método genotípico más preferido para la identificación de bacterias en su nivel de género. Hay varias razones para usar 16S rRNA como ama de llaves genetica, que se explicará más detalladamente.

Áreas clave cubiertas

1. ¿Qué es 16S ARNr
     - Definición, Estructura, Rol
2. ¿Por qué se utiliza 16S rRNA para identificar bacterias
     - Introducción, razones, métodos
3. ¿Cuáles son las aplicaciones del 16S rRNA en microbiología?
     - Aplicaciones

Términos clave: Bacterias, Clasificación, Secuencia génica, Identificación, Ribosoma, 16S rRNA

¿Qué es 16S ARNr

El 16S rRNA es un componente de la subunidad pequeña del ribosoma procariótico. Las dos subunidades del ribosoma procariota son la subunidad grande 50S y la subunidad pequeña 30S. Forman el ribosoma 70S. La subunidad pequeña se compone de 16S rRNA unido a 21 proteínas. El 16S rRNA se compone de 1540 nucleótidos. La estructura secundaria de 16S rRNA se muestra en Figura 1.

Figura 1: 16S rRNA

El extremo 3 'del rRNA 16S contiene la secuencia anti-Shine-Dalgarno que se une hacia arriba al codón de inicio, AUG. La secuencia de Shine-Dalgarno es el sitio de unión ribosomal del ARNm bacteriano. Como el 16S rRNA es esencial para el funcionamiento de las bacterias, el gen que codifica el 16S rRNA está altamente conservado entre las especies bacterianas. La secuencia del 16S rRNA se usa ampliamente en la identificación y clasificación de bacterias. 

¿Por qué se utiliza 16S rRNA para identificar bacterias

Los métodos tradicionales de identificación de bacterias se basan principalmente en las características fenotípicas de las bacterias. Sin embargo, la comparación de la secuencia 16S rRNA se ha convertido en un "estándar de oro", reemplazando los métodos tradicionales de identificación bacteriana. El análisis de la secuencia del ARNr 16S es mejor para la identificación de cepas fenotípicamente aberrantes, mal descritas o aisladas raramente. También es mejor para la identificación de bacterias no cultivadas y nuevos patógenos. El gen 16S rRNA se produce en el operón rRNA en el genoma bacteriano. El operón rRNA se muestra en Figura 2.

Figura 2: rRNA Operon

El 16S rRNA es adecuado para ser usado como un marcador genético de mantenimiento debido a varias razones. Se describen a continuación.

1. El gen 16S rRNA es un gen ubicuo en el genoma bacteriano. Dado que la función 16S rRNA es esencial para la célula bacteriana durante la traducción, casi todos los genomas bacterianos están compuestos por el gen 16S rRNA.
2. La secuencia del gen 16S rRNA está altamente conservada. Como la función del rRNA 16S es más general, la secuencia del gen rRNA 16S está altamente conservada. Los cambios en la secuencia del gen se pueden considerar como una medida del tiempo (evolución).
3. El tamaño del gen 16S rRNA (1, 550 pb) es suficiente para propósitos bioinformáticos.
4. El gen 16S rRNA es un gen bien estudiado en el genoma bacteriano. Dado que la función del gen 16S rRNA es vital para la célula, está sujeta a muchos estudios.

Identificación

Hasta la fecha, se han identificado más de 8, 168 especies bacterianas con el uso de la secuencia del gen 16S rRNA. El procedimiento del proceso de identificación se describe a continuación..

1. Extracción de ADN genómico.
2. Amplificación por PCR del gen 16S rRNA
3. Obtenga la secuencia de nucleótidos del gen 16S rRNA amplificado
4. Compara la secuencia con las secuencias de nucleótidos existentes en las bases de datos.

La secuencia de 16S rRNA tiene una longitud de aproximadamente 1, 550 pares de bases y está compuesta de regiones variables y conservadas. Los cebadores universales, que son complementarios a la región conservada del gen, pueden usarse para la amplificación de la región variable del gen por PCR. En general, la región de 540 pares de bases desde el principio del gen o el gen completo se amplifica por PCR. El fragmento de PCR se secuencia y la secuencia se compara con las secuencias de nucleótidos existentes del gen 16S rRNA para la identificación de las especies bacterianas pre-aisladas. GenBank, el mayor depósito de secuencias de nucleótidos, tiene más de 20 millones de secuencias de 90,000 genes 16S rRNA diferentes. Si la especie bacteriana es nueva, la secuencia no coincidirá con ninguna secuencia de ARNr 16S en las bases de datos.

Clasificación

Dado que la secuencia del gen 16S rRNA se encuentra en casi todas las especies bacterianas, la comparación de diferentes secuencias del gen 16S rRNA se puede usar para diferenciar bacterias hasta los niveles de especies y subespecies. Especies bacterianas similares pueden tener secuencias similares de gen 16S rRNA. Un árbol filogenético de bacterias construido al comparar la secuencia del gen 16S rRNA se muestra en figura 3.

Figura 3: árbol filogenético construido según la comparación de secuencia de 16S rRNA

¿Cuáles son las aplicaciones de 16S rRNA en microbiología

Las aplicaciones del 16S rRNA en microbiología se enumeran a continuación..

1. La secuenciación del gen 16S rRNA se utiliza como el "estándar de oro" para la identificación y clasificación taxonómica de especies bacterianas.
2. La comparación de la secuencia del rRNA 16S se puede usar para el reconocimiento de nuevos patógenos.
3. La secuenciación 16S rRNA se puede utilizar como una alternativa rápida y barata a los métodos fenotípicos de identificación bacteriana en microbiología médica.

Conclusión

El 16S rRNA es vital para el funcionamiento de las bacterias, ya que proporciona un sitio para la unión del mRNA bacteriano al ribosoma durante la traducción. Dado que la función del 16SrRNA es esencial para la célula, su secuencia genética está presente en casi todas las células bacterianas. Además, su secuencia está altamente conservada. Sin embargo, la secuencia de 16S rRNA también se compone de regiones variables, lo que permite la identificación de especies bacterianas. Además, las especies bacterianas pueden clasificarse según la secuencia del gen del ARNr 16S.

Referencia:

1. Janda, J. Michael y Sharon L. Abbott. "Secuenciación del gen 16S rRNA para la identificación de bacterias en el laboratorio de diagnóstico: ventajas, peligros y escollos". Revista de microbiología clínica, Sociedad Americana de Microbiología, septiembre de 2007, disponible aquí.
2. Clarridge, Jill E. "Impacto del análisis de la secuencia del gen 16S rRNA para la identificación de bacterias en microbiología clínica y enfermedades infecciosas". Revisiones de microbiología clínica, Sociedad Americana de Microbiología, octubre de 2004, disponible aquí.

Imagen de cortesía:

1. “16S” Por Squidonius - Trabajo propio (dominio público) a través de Commons Wikimedia
2. “Operón de ARNr Amit Yadav Phytoplasma” (CC BY-SA 3.0) a través de Commons Wikimedia
3. "Posición filogenética de Mollicutes entre bacterias" Por Kenro Oshima, Kensaku Maejima y Shigetou Namba - Frente. Microbiol., 14 de agosto de 2013 / doi: 10.3389 / fmicb.2013.00230 (CC BY 3.0) a través de Commons Wikimedia