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En 1946, Lederberg y Tatum1 describieron un proceso sexual en Escherichia coli K-12 que ahora se conoce como conjugación. La conjugación bacteriana es el proceso por el cual una célula bacteriana (el donante) transfiere material genético unidireccional a otra célula (el receptor) por contacto directo de célula a célula. La conjugación está ampliamente distribuida en las bacterias2,3, aunque la fracción de células donantes que expresan la maquinaria de conjugación es típicamente muy pequeña4.
Los plásmidos son elementos de ADN extracromosómico que se replican de forma autónoma. Además de los genes involucrados en la replicación y mantenimiento de plásmidos, los plásmidos con frecuencia llevan una carga de genes involucrados en la adaptación a desafíos ambientales, como metales pesados o exposición a antibióticos5. Los plásmidos conjugativos son una clase de plásmidos con un conjunto de genes especializados que permiten su transferencia a las células receptoras y apoyan su persistencia después de la transferencia6. Los plásmidos conjugativos varían en tamaño de 21,8 kb a 1,35 Mb en bacterias del filo Pseudomonadota (sinónimo de Proteobacteria), con una mediana de alrededor de 100 kb 5,7. También generalmente tienen un número bajo de copias, posiblemente para mantener la carga metabólica en el huésped baja 8,9.
El aparato conjugativo típico consta de cuatro componentes: un origen de transferencia (oriT), una relaxasa, una proteína de acoplamiento tipo IV y un sistema de secreción tipo IV (una estructura tubular llamada pilus que permite a los donantes contactar a los receptores)6. Sólo una fracción muy pequeña de células portadoras de plásmidos conjugativos expresan la maquinaria de conjugación4, pero si los plásmidos proporcionan una ventaja de aptitud, los transconjugantes pueden expandirse rápidamente en la población. Entre el 35% y más del 80% de los aislados de E. coli recolectados en diferentes hábitats tienen plásmidos conjugativos con genes que confieren resistencia a al menos un antibiótico10,11; Por lo tanto, la transferencia horizontal de genes mediada por plásmidos conjugativos es un mecanismo importante que impulsa la propagación global de genes de resistencia a antibióticos12.
Los experimentos de apareamiento realizados en cultivo de laboratorio han demostrado que la frecuencia de conjugación se ve afectada por múltiples factores, incluida la naturaleza de las células receptoras, la fase de crecimiento, la densidad celular, la relación donante-receptor, si la conjugación se realiza en medios líquidos o sólidos, carbono, oxígeno, sales biliares, concentraciones de metales, presencia de células de mamíferos, temperatura, pH y tiempo de apareamiento13,14, 15.
Este trabajo describe protocolos para detectar la presencia de plásmidos conjugativos en una cepa huésped dada, cuantificar las tasas de conjugación en cultivo sólido y verificar su transferencia a las células receptoras. Estos protocolos pueden ser utilizados como un primer paso para la identificación de plásmidos conjugativos naturales adecuados para la investigación. Utilizan un número mínimo de pasos simplificados porque están diseñados para detectar la presencia de plásmidos conjugativos en bacterias obtenidas de múltiples fuentes (ambientales, comensales y patógenas) a escala (docenas a cientos de donantes).
Además, se muestran pruebas para detectar si la movilización de un plásmido conjugativo dado es independiente del antibiótico utilizado para la detección (es decir, la relevancia del gen de resistencia a antibióticos bajo selección) y para comparar las tasas de conjugación de dos plásmidos conjugativos encontrados en diferentes aislados ambientales.
Sobre la base de la composición genética de los plásmidos conjugativos relevantes (replicón plásmido y composición génica de resistencia a antibióticos), cada paso del protocolo puede modificarse para estudiar el impacto de una variedad de factores que probablemente afecten la tasa de conjugación.
Diseño experimental general:
Los componentes esenciales necesarios para establecer un experimento de apareamiento son células donantes, una cepa receptora y medios sólidos para seleccionar donantes (antibiótico A), receptores (antibiótico B) y transconjugantes (antibiótico A y B). Los transconjugantes son células receptoras que mantienen de manera estable el plásmido conjugativo del donante.
Las células del donante son resistentes a un antibiótico (antibiótico A) y son susceptibles al marcador o marcadores utilizados para seleccionar las células receptoras (antibiótico B). La ubicación genómica del gen de resistencia a antibióticos (es decir, si se encuentra en el cromosoma o en un plásmido de la célula donante) no tiene que conocerse a priori, porque la movilización de marcadores de resistencia a antibióticos al receptor (después de un contacto directo donante-receptor) implica que los marcadores proporcionados por el donante estaban en un plásmido.
Una cepa receptora (conocida por tomar plásmidos conjugativos) necesita tener un marcador seleccionable estable que no esté presente en el donante; Este marcador seleccionable es generalmente resistente a un antibiótico o biocida localizado en el cromosoma. La selección del receptor para ser utilizado en experimentos de apareamiento es crítica, ya que algunas cepas de E. coli varían en su capacidad para tomar plásmidos conjugativos16.
Una vez establecidos estos componentes, cualquier colonia que crezca en medios con ambos antibióticos (A y B) después de un contacto entre la pareja donante-receptor es un transconjugado putativo (Figura 1). Esto supone que los donantes pueden crecer en medios con antibiótico A pero no pueden crecer en medios con antibiótico B, y que los receptores pueden crecer en medios con antibiótico B, pero no pueden crecer con antibiótico A. La transconjugación se puede confirmar mediante dos pruebas diagnósticas. La primera prueba consiste en la detección (mediante la amplificación de genes por reacción en cadena de la polimerasa [PCR] u otros métodos) de genes encontrados en el plásmido conjugativo en colonias transconjugadas. La segunda prueba implica el uso de marcadores de color de colonias diferenciales basados en el metabolismo de la lactosa. El color diferencial de la colonia se revela por el uso de agar MacConkey; La lactosa en el agar puede ser utilizada como fuente de fermentación por microorganismos fermentadores de lactosa (LAC +). Estos microorganismos producen ácidos orgánicos, particularmente ácido láctico, que disminuyen el pH. El rojo neutro es un indicador de pH incluido en el medio que cambia de blanco roto a rojo / rosa brillante a medida que el pH cae por debajo de 6.817. Por lo tanto, las cepas positivas para lactosa de E. coli producen colonias rosadas más grandes en agar MacConkey, mientras que las cepas negativas para lactosa producen colonias de color amarillo pálido y más pequeñas en agar MacConkey.

Figura 1: Diseño experimental utilizado para detectar la presencia de plásmidos conjugativos en cepas de donantes. En este ejemplo, el donante lleva un plásmido conjugativo con un gen de resistencia a antibióticos que confiere resistencia al antibiótico A, pero son susceptibles al antibiótico B. Por el contrario, el receptor tiene un determinante de resistencia cromosómica que confiere protección contra el antibiótico B, pero es susceptible al antibiótico A. Los transconjugantes son resistentes a ambos antibióticos (A y B), porque tienen el plásmido conjugativo del donante que confiere resistencia al antibiótico A y el cromosoma del receptor que confiere protección contra el antibiótico B. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
La tasa de conjugación para un par donante-receptor (en determinadas condiciones experimentales) puede calcularse dividiendo el número de transconjugantes por el número de donantes o por el número de receptores; La primera tasa indica la fracción de células donantes que exhiben expresión funcional de la maquinaria de conjugación por el donante16,18, mientras que la segunda tasa indica la capacidad del receptor para tomar plásmidos conjugativos 19,20. En este estudio, a menos que se indique lo contrario, la tasa de conjugación representa la fracción de células receptoras que se vuelven transconjugantes (es decir, tasa por receptor).
Aquí, se reportan dos experimentos de apareamiento independientes, que involucran a un receptor de E. coli y dos donantes de E. coli. Además, se utilizaron diferentes antibióticos para seleccionar transconjugantes para uno de los donantes para confirmar que se puede seleccionar un solo plásmido multirresistente con cualquiera de los genes de resistencia a antibióticos encontrados en el plásmido conjugativo.
Las cepas donante y receptora utilizadas en este trabajo han sido secuenciadas completamente para comprender todos los componentes de este sistema experimental; Sin embargo, estos protocolos fueron diseñados para detectar la presencia de plásmidos conjugativos en huéspedes de secuencia desconocida, y también pueden usarse en este contexto experimental; Sin embargo, en este caso, los genes relevantes se secuencian primero.
Las cepas donante y receptora utilizadas en el protocolo son las siguientes:
Donante 1. E. coli SW4955 fue recolectado en un lago en Baton Rouge (LA, EUA). Tiene un plásmido conjugativo de 134.797 pb (p134797) con replicones IncFIC(FII) e IncFIB (AP001918). Este plásmido conjugativo tiene genes que confieren resistencia a cefalosporinas de tercera generación (blaCTX-M-55), aminoglucósidos (aac(3)-IIa y aadA1), fenicoles (catA2), tetraciclinas (tet(A)), trimetoprima (dfrA14) y sulfonamidas (sul3). Para obtener un mapa completo de p134797, consulte la Figura 2A. E. coli SW4955 es lactosa positiva, produciendo colonias rosadas en agar MacConkey.
Donante 2. E. coli SW7037 fue recolectado en Lake Erie (Ottawa County, OH, EUA). Lleva un plásmido conjugativo de 101.718 pb (p101718) con un replicón IncI1-I(Alfa). Este plásmido conjugativo tiene un gen que confiere resistencia a los betalactámicos (blaCMY-2). Para obtener un mapa completo de p101718, consulte la Figura 2B. E. coli SW7037 también es positivo para lactosa, produciendo colonias rosadas en agar MacConkey.

Figura 2: Mapa genético de los plásmidos conjugativos utilizados en este estudio . (A) Plásmido p134797, el plásmido conjugativo encontrado en la cepa SW4955 de E. coli. (B) Plásmido p101718, el plásmido conjugativo encontrado en la cepa SW7037 de E. coli. Los genes de resistencia a los antibióticos se resaltan en azul, y los genes que pertenecen al aparato conjugativo se resaltan en rojo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Destinatario. E. coli LMB100 se utiliza como receptor. Se trata de una cepa sin plásmidos resistente a la rifampicina (100 mg/L) y a la estreptomicina (100 mg/L). Tener resistencia a dos antibióticos reduce la posibilidad de que surjan mutaciones de resistencia en el donante que interfieran con la interpretación de los resultados. Además, E. coli LMB100 es lactosa negativa, y se puede distinguir de las dos cepas donantes porque produce colonias de color amarillo pálido y pequeñas (a diferencia de las colonias más grandes y rosadas) en agar MacConkey.
Cuando el donante es lactosa negativa, recomendamos el uso de un receptor con lactosa positiva (por ejemplo, E. coli J53). Las cepas LMB100 y J53 están disponibles para otros laboratorios para su uso. Envíe una solicitud al Dr. Gerardo Cortés-Cortés junto con una dirección y un número de FedEx.
El medio sólido necesario para seleccionar y contar donantes, receptores y transconjugantes es el agar MacConkey en placas de Petri de 100 mm de diámetro. Se necesita la adición de los siguientes antibióticos: (i) Media A: carbenicilina (100 mg / L) para contar donantes y garantizar que los receptores no puedan crecer con este antibiótico. (ii) Media B: rifampicina (100 mg/L) + estreptomicina (100 mg/L) para contar receptores y asegurar que los donantes no puedan crecer en estos dos antibióticos. (iii) Media AB: carbenicilina (100 mg/L) + rifampicina (100 mg/L) + estreptomicina (100 mg/L) para obtener y contar transconjugantes. (iv) Media C: no hay antibióticos para rayar todos los aislamientos estudiados.
Se comparan las tasas de conjugación de plásmidos conjugativos de E. coli SW4955 y E. coli SW7037 a E. coli LMB100. Además, en el caso del plásmido conjugativo p134797 (cepa SW4955), el antibiótico carbenicilina (100 mg/L) se sustituye por gentamicina (2 mg/L), cloranfenicol (25 mg/L), tetraciclina (10 mg/L), trimetoprima (20 mg/L) o sulfametoxazol (100 mg/L) en experimentos posteriores para establecer si el marcador de resistencia a antibióticos utilizado para la selección tiene algún impacto en los resultados.