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15.2: Selección de antibióticos
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Antibiotic Selection
 
TRANSCRIPCIÓN

15.2: Antibiotic Selection

15.2: Selección de antibióticos

Overview

Researchers use antibiotic resistance genes to identify bacteria that possess a plasmid containing their gene of interest. Antibiotic resistance naturally occurs when a spontaneous DNA mutation creates changes in bacterial genes that eliminate antibiotic activity. Bacteria can share these new resistance genes with their offspring and other bacteria. The overuse and misuse of antibiotics have created a public health crisis, as resistant and multi-resistant bacteria continue to develop.

Antibiotic Resistance is an Essential Tool in Genetic Engineering

Antibiotics, such as penicillin, are drugs that kill or stop bacterial growth. Bacteria that naturally or artificially acquired antibiotic resistance genes do not respond to antibiotics. Scientists exploit this by designing plasmids—small, self-replicating pieces of DNA—that carry both an antibiotic resistance gene and a gene of interest. Antibiotic resistance is an integral part of DNA cloning that allows a researcher to identify cells that absorbed a DNA of interest.

The researcher’s DNA of interest is introduced into bacterial cells using a process called transformation. Bacterial transformation involves temporarily creating small holes in the bacterial cell wall to permit the uptake of external DNA such as a plasmid. Only some bacterial cells absorb new DNA. Since the plasmid includes both the DNA of interest and a gene that confers resistance to a specific antibiotic, applying the antibiotic to the bacterial cells (i.e., antibiotic selection) can help determine which cells were genetically modified.

The researcher spreads the bacterial cells onto a culture plate containing a chosen antibiotic. Only bacteria containing the antibiotic resistance gene survive and grow on the plate. After a few days, the researcher can select a bacterial colony to culture for further experiments—such as gene expression studies. Following antibiotic selection, the researcher will further test the bacteria using other methods (e.g., PCR) to confirm that DNA of interest is correct. Errors often occur such as the plasmid not containing the gene of interest at all.

Bacteria Can Acquire Antibiotic Resistance Naturally

Bacteria can acquire antibiotic resistance through spontaneous DNA mutations that alter the proteins produced by the cell. Resistant bacteria may produce proteins that cause the antibiotic to either be degraded, pumped out of the cell, or prevented from interacting with its target. For example, the antibiotic vancomycin inhibits synthesis of the bacterial cell wall. Some bacteria have developed resistance to this antibiotic by changing the types of protein subunits—amino acids—used in the assembly of their cell wall to ones that are unaffected by vancomycin.

Once antibiotic resistance genes emerge, bacteria can pass them on to their offspring. Bacteria can also acquire antibiotic resistance genes from other bacteria of the same or different species through a process called horizontal gene transfer (HGT). There are three mechanisms of HGT: transformation, conjugation, and transduction. Antibiotic resistance genes are often found in plasmids or transposons—pieces of DNA that are easily transferred between bacteria—that are exchanged during HGT. As a result, new types of antibiotic resistance can rapidly spread to multiple types of infectious bacteria.

Clinical Overuse and Misuse of Antibiotics Produces “Superbugs”

Antibiotics are a critical treatment for bacterial infections. However, their use can cause bacteria to become resistant and render the antibiotic ineffective, leading to untreatable and potentially deadly infections. Antibiotic overuse and misuse—for instance, using antibiotics to treat viral (rather than bacterial) infections or to increase livestock growth—is problematic because it promotes resistance.

Antibiotics cause resistance to evolve because they kill susceptible bacteria and leave only the resistant individuals. The surviving bacteria divide rapidly, producing offspring with the same antibiotic resistance. When antibiotics are overused, this selection pressure causes the number of resistant bacteria in the population to rise quickly. This is a major public health concern because it increases antibiotic resistance and creates “superbugs” that are resistant to multiple antibiotics. Continued overuse and misuse of antibiotics may eventually exhaust treatment options for bacterial infections.

Visión general

Los investigadores utilizan genes de resistencia a los antibióticos para identificar bacterias que poseen un plásmido que contiene su gen de interés. La resistencia a los antibióticos ocurre naturalmente cuando una mutación espontánea del ADN crea cambios en los genes bacterianos que eliminan la actividad antibiótica. Las bacterias pueden compartir estos nuevos genes de resistencia con su descendencia y otras bacterias. El uso excesivo y el uso indebido de antibióticos han creado una crisis de salud pública, a medida que las bacterias resistentes y multirresistentes continúan desarrollándose.

La resistencia a los antibióticos es una herramienta esencial en la ingeniería genética

Los antibióticos, como la penicilina, son medicamentos que matan o detienen el crecimiento bacteriano. Las bacterias que adquirieron genes de resistencia a antibióticos de forma natural o artificial no responden a los antibióticos. Los científicos explotan esto diseñando plásmidos —pequeñas piezas de ADN autorreplicables— que llevan un gen de resistencia a los antibióticos y un gen de interés. La resistencia a los antibióticos es una parte integral de la clonación del ADN que permite a un investigador identificar células que absorbieron un ADN de interés.

El ADN de interés del investigador se introduce en las células bacterianas mediante un proceso llamado transformación. La transformación bacteriana implica crear temporalmente pequeños agujeros en la pared celular bacteriana para permitir la absorción de ADN externo como un plásmido. Sólo algunas células bacterianas absorben adn nuevo. Dado que el plásmido incluye tanto el ADN de interés como un gen que confiere resistencia a un antibiótico específico, aplicar el antibiótico a las células bacterianas (es decir, la selección de antibióticos) puede ayudar a determinar qué células fueron modificadas genéticamente.

El investigador extiende las células bacterianas a una placa de cultivo que contiene un antibiótico elegido. Sólo las bacterias que contienen el gen de resistencia a los antibióticos sobreviven y crecen en la placa. Después de unos días, el investigador puede seleccionar una colonia bacteriana para cultivar para otros experimentos, como estudios de expresión génica. Después de la selección de antibióticos, el investigador analizará aún más las bacterias utilizando otros métodos (por ejemplo, PCR) para confirmar que el ADN de interés es correcto. A menudo ocurren errores como que el plásmido no contiene el gen de interés en absoluto.

Las bacterias pueden adquirir resistencia a los antibióticos de forma natural

Las bacterias pueden adquirir resistencia a los antibióticos a través de mutaciones espontáneas del ADN que alteran las proteínas producidas por la célula. Las bacterias resistentes pueden producir proteínas que hacen que el antibiótico se degrade, bombee fuera de la célula o se impida que interactúe con su objetivo. Por ejemplo, la vancomicina antibiótica inhibe la síntesis de la pared celular bacteriana. Algunas bacterias han desarrollado resistencia a este antibiótico cambiando los tipos de subunidades de proteínas (aminoácidos) utilizadas en el ensamblaje de su pared celular a aquellas que no se ven afectadas por la vancomicina.

Una vez que los genes de resistencia a los antibióticos emergen, las bacterias pueden transmitirlos a su descendencia. Las bacterias también pueden adquirir genes de resistencia a los antibióticos de otras bacterias de la misma o de diferentes especies a través de un proceso llamado transferencia horizontal de genes (HGT). Existen tres mecanismos de HGT: transformación, conjugación y transducción. Los genes de resistencia a los antibióticos a menudo se encuentran en plásmidos o transposones (piezas de ADN que se transfieren fácilmente entre bacterias) que se intercambian durante la HGT. Como resultado, los nuevos tipos de resistencia a los antibióticos pueden propagarse rápidamente a múltiples tipos de bacterias infecciosas.

El uso excesivo clínico y el uso indebido de antibióticos produce "Superbugs"

Los antibióticos son un tratamiento crítico para las infecciones bacterianas. Sin embargo, su uso puede hacer que las bacterias se vuelvan resistentes y hacer que el antibiótico sea ineficaz, lo que conduce a infecciones intratables y potencialmente mortales. El uso excesivo y el uso indebido de antibióticos, por ejemplo, el uso de antibióticos para tratar infecciones virales (en lugar de bacterianas) o para aumentar el crecimiento del ganado, es problemático porque promueve la resistencia.

Los antibióticos hacen que la resistencia evolucione porque matan las bacterias susceptibles y dejan solo a los individuos resistentes. Las bacterias supervivientes se dividen rápidamente, produciendo descendencia con la misma resistencia a los antibióticos. Cuando los antibióticos se utilizan en exceso, esta presión de selección hace que el número de bacterias resistentes en la población aumente rápidamente. Este es un gran problema de salud pública porque aumenta la resistencia a los antibióticos y crea "superbugs" que son resistentes a múltiples antibióticos. El uso excesivo continuo y el uso indebido de antibióticos pueden eventualmente agotar las opciones de tratamiento para las infecciones bacterianas.


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