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15.2: Seleção de Antibióticos
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Antibiotic Selection
 
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15.2: Antibiotic Selection

15.2: Seleção 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.

Visão Geral

Investigadores usam genes de resistência a antibióticos para identificar bactérias que possuem um plasmídeo contendo o seu gene de interesse. A resistência a antibióticos ocorre naturalmente quando uma mutação espontânea do DNA cria alterações em genes bacterianos que eliminam a atividade dos antibióticos. As bactérias podem compartilhar esses novos genes de resistência com os seus descendentes e outras bactérias. O uso excessivo e o uso indevido de antibióticos criaram uma crise de saúde pública, à medida que bactérias resistentes e multi-resistentes continuam a desenvolver-se.

A Resistência a Antibióticos é uma Ferramenta Essencial na Engenharia Genética

Antibióticos, como a penicilina, são fármacos que matam ou param o crescimento bacteriano. Bactérias que naturalmente ou artificialmente adquiriram genes de resistência a antibióticos não respondem a antibióticos. Os cientistas exploram isso criando plasmídeos—pequenos pedaços auto-replicantes de DNA—que carregam um gene de resistência a antibióticos e um gene de interesse. A resistência a antibióticos é parte integrante da clonagem do DNA que permite ao investigador identificar células que incorporaram um DNA de interesse.

O DNA de interesse do investigador é introduzido em células bacterianas usando um processo chamado transformação. A transformação bacteriana envolve a criação temporária de pequenos buracos na parede celular bacteriana para permitir a incorporação de DNA externo, como um plasmídeo. Só algumas células bacterianas incorporam novo DNA. Uma vez que o plasmídeo inclui tanto o DNA de interesse como um gene que confere resistência a um antibiótico específico, aplicar o antibiótico às células bacterianas (ou seja, seleção por antibióticos) pode ajudar a determinar que células foram geneticamente modificadas.

O investigador espalha as células bacterianas em uma placa de cultura contendo um antibiótico escolhido. Apenas bactérias contendo o gene de resistência ao antibiótico sobrevivem e crescem na placa. Após alguns dias, o investigador pode selecionar uma colónia bacteriana para cultivar para outras experiências—como estudos de expressão genética. Após a seleção por antibiótico, o investigador testa ainda mais as bactérias usando outros métodos (por exemplo, PCR) para confirmar que o DNA de interesse está correto. Erros muitas vezes ocorrem, como o plasmídeo não conter o gene de interesse de todo.

As Bactérias Podem Adquirir Resistência a Antibióticos Naturalmente

As bactérias podem adquirir resistência a antibióticos através de mutações espontâneas do DNA que alteram as proteínas produzidas pela célula. Bactérias resistentes podem produzir proteínas que fazem com que o antibiótico seja degradado, bombeado para fora da célula ou impedido de interagir com o seu alvo. Por exemplo, o antibiótico vancomicina inibe a síntese da parede celular bacteriana. Algumas bactérias desenvolveram resistência a este antibiótico alterando os tipos de subunidades proteicas—aminoácidos—usados na criação da sua parede celular para outros que não são afetados pela vancomicina.

Assim que os genes de resistência a antibióticos emergem, as bactérias podem passá-los para os seus descendentes. As bactérias também podem adquirir genes de resistência a antibióticos de outras bactérias da mesma ou de diferentes espécies através de um processo chamado transferência genética horizontal (HGT). Existem três mecanismos de HGT: transformação, conjugação e transdução. Genes de resistência a antibióticos são frequentemente encontrados em plasmídeos ou transposões—pedaços de DNA que são facilmente transferidos entre bactérias—que são trocados durante a HGT. Como resultado, novos tipos de resistência a antibióticos podem espalhar-se rapidamente para vários tipos de bactérias infecciosas.

O Uso Clínico Excessivo e Indevido de Antibióticos Produz “Superbactérias”

Os antibióticos são um tratamento crítico para infecções bacterianas. No entanto, o seu uso pode fazer com que as bactérias se tornem resistentes e tornem o antibiótico ineficaz, levando a infecções intratáveis e potencialmente mortais. O uso excessivo e o uso indevido de antibióticos—por exemplo, o uso de antibióticos para tratar infecções virais (em vez de bacterianas) ou para aumentar o crescimento pecuário—é problemático porque promove resistência.

Os antibióticos fazem com que a resistência evolua porque matam bactérias suscetíveis e deixam apenas os indivíduos resistentes. As bactérias sobreviventes dividem-se rapidamente, produzindo descendentes com a mesma resistência a antibióticos. Quando os antibióticos são muito usados, essa pressão de seleção faz com que o número de bactérias resistentes na população aumente rapidamente. Esta é uma grande preocupação de saúde pública porque aumenta a resistência a antibióticos e cria “superbactérias” que são resistentes a múltiplos antibióticos. O uso excessivo contínuo e o uso indevido de antibióticos podem eventualmente esgotar as opções de tratamento para infecções bacterianas.


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