El ADN bacteriano

Escherichia coli · modelo 3D

El ADN de una bacteria es una sola molécula circular que guarda sus genes y mide unas 500 veces más que la célula. Cabe gracias a los límites de la propia célula, a que se enrolla sobre sí mismo, a sus tramos aislados y a las proteínas que lo doblan, y forma una masa sin membrana llamada nucleoide.

En una frase

El cromosoma de Escherichia coli es un solo círculo de ADN, mucho más largo que la célula, que cabe en ella gracias a los límites de la propia célula, a su enrollamiento, a sus tramos aislados y a las proteínas que lo doblan.

Qué vas a aprender

Explicar por qué una molécula de ADN tan larga plantea un problema de espacio.
Explicar por qué un círculo sin extremos no puede soltar el giro y qué pasa al quitarle vueltas.
Distinguir qué aportan el enrollamiento, los dominios, las proteínas y los límites de la célula.

Cómo funciona

Si la célula midiera un metro, su ADN estirado mediría unos 500 metros. Ese ADN es un solo círculo cerrado de dos hebras, y su contorno calculado ronda 1,5 mm. Dentro de Escherichia coli forma el nucleoide, una masa sin ninguna membrana alrededor. Suelto, como un ovillo al azar, ocuparía mucho más que la célula entera. Según un cálculo, hace falta reducir su volumen del orden de mil veces.^{1, 17}

Una tira de plástico flexible con varias vueltas de retorcido se suelta girando por un extremo; pegada en aro, no tiene por dónde soltarlas y el aro se dobla sobre sí mismo. Un círculo de ADN tampoco tiene extremo que gire, y cuando le faltan vueltas se tuerce igual: ese enrollamiento sobre sí mismo es el superenrollamiento. La comparación deja de valer en que la tira plana no lleva vueltas y el ADN relajado sí, de modo que quitárselas no lo afloja: sus dos hebras quedan tensas, y torcer el eje alivia buena parte de esa tensión.

Las vueltas del círculo solo cambian si una enzima corta el ADN. La girasa quita vueltas, gastando energía. La topoisomerasa I relaja el ADN. Entre las dos mantienen el enrollamiento del cromosoma en un nivel medio.

Una parte de ese enrollamiento queda libre, en tramos retorcidos; otra la retienen proteínas. En pequeños círculos de ADN aparte del cromosoma, estudiados en el laboratorio, esos tramos forman además ramas, y esa forma alargada compacta poco por sí sola.^{1, 6}

Un dominio es un tramo del cromosoma aislado de sus vecinos por barreras que impiden el paso del giro. Si se corta el ADN en un dominio, ese se relaja y los demás conservan su enrollamiento. Estas barreras cambian de sitio, y las simulaciones encajan mejor con un reparto casi al azar. Se calcula que hay unos 400 dominios por cromosoma.^{1, 7, 18}

El ADN desnudo resiste doblarse en tramos cortos. Las proteínas del nucleoide lo doblan o lo agrupan. Una de las más abundantes mientras la célula crece aparece dispersa por el nucleoide y en solución produce curvas flexibles. Otra se reúne en cúmulos en la célula viva.^{1, 11, 19}

MukBEF es un gran complejo de proteínas con brazos largos, cerrado en anillo. Se presume que va sacando bucles de ADN de manera activa. Cuando en el laboratorio se produce varias veces más de lo normal, aparece un eje fino dentro del nucleoide. El ADN es mucho más largo que ese eje y aun así los genes mantienen su orden a lo largo de él, de donde se deduce que el resto sale en bucles. En la cepa normal se ven cúmulos.^{12, 13}

El tamaño y la posición del nucleoide dependen sobre todo de los límites de la célula y del apiñamiento. En una habitación llena de gente cuesta extender nada grande, porque casi todo el espacio está ocupado; eso es el apiñamiento. El parecido acaba ahí: en la célula, quienes ocupan el sitio son moléculas que se mueven sin ningún fin. En células alargadas, y con apoyo de simulaciones, quitar una a una cuatro proteínas del nucleoide influye poco.

Ejemplo: en el laboratorio se bloquean la copia y la división, y la célula sigue creciendo a lo largo con un solo cromosoma. El nucleoide se alarga con ella hasta un tope: ocupa más cuando tiene más sitio.^{2, 17}

La copia empieza en un solo punto, el origen. De allí salen dos horquillas en sentidos opuestos. Una horquilla es el lugar donde las hebras se separan para copiarse, y cada una recorre medio círculo. Las horquillas suelen fundirse donde se encuentran, en la zona opuesta al origen. Qué separa después los dos cromosomas hijos sigue en debate.^{14, 15, 16}

Cómo se sabe

Se miraron células vivas de Escherichia coli con proteínas que brillan, y se vio la forma del nucleoide, unos cúmulos de proteína y el complejo MukBEF molécula a molécula. También se midieron células crecidas en canales estrechos, y el nucleoide se alargaba con ellas. Fuera de la célula se comprimió el cromosoma aislado, y cedió con muy poca fuerza.^{2, 11, 12, 17, 20}

En E. coli se contaron bucles al microscopio electrónico en cromosomas aislados, y se cortó el ADN para ver cómo respondían cientos de genes sensibles al enrollamiento. Las dos medidas dieron lo mismo, aunque otros métodos dan tamaños de dominio distintos. El reparto entre girasa y topoisomerasa I se dedujo sobre todo de lo que pasa al alterar sus genes.^{1, 7}

Dos formas del modelo vienen de otras bacterias, con proteínas cristalizadas o congeladas y vistas al microscopio: la que curva el ADN, de Anabaena, y MukBEF, de Photorhabdus thracensis. Esa imagen de MukBEF recoge el momento previo a soltar el ADN, no su trabajo normal. Las ramas del enrollamiento se describieron en plásmidos, los pequeños círculos de ADN aparte del cromosoma, fuera de la célula.^{6, 8, 13}

Lo que sigue abierto

Sólido El cromosoma de E. coli está superenrollado y dividido en dominios que se relajan por separado.^{1, 7}
Indicios Los límites de la célula y el apiñamiento pesan más en su tamaño y posición que las cuatro proteínas del nucleoide probadas una a una, según medidas en células alargadas y simulaciones.¹⁷
Indicios La extrusión de bucles, es decir, que MukBEF los saque de manera activa, es una presunción por analogía. Las simulaciones reproducen el eje, pero no prueban el mecanismo.^{12, 13}
Abierto No se ha identificado qué forma las barreras entre dominios, y sigue sin existir una estructura completa de alta resolución del nucleoide.¹
Abierto El volumen del nucleoide no tiene un valor único: las estimaciones publicadas no concuerdan.^{2, 11, 17}

Lo que se suele confundir

Sin núcleo, el ADN de la bacteria flota desordenado. Sin membrana alrededor sigue habiendo orden: el nucleoide tiene forma propia y el origen ocupa posiciones reconocibles, según la fase del ciclo y la cepa.^{2, 14, 16}

El nucleoide es una bola apretada. Su densidad es muy baja, y aislado se comprime hasta su tamaño en la célula con fuerzas muy pequeñas. En la célula viva se ha descrito, en cambio, como un elipsoide rígido a lo largo.^{2, 20}

Las proteínas del nucleoide bastan para explicar su tamaño. Lo doblan y lo agrupan, y sin una de las más abundantes queda menos condensado. Pero en células alargadas, quitar otras cuatro, una a una, influyó poco en su tamaño; pesan más los límites de la célula y el apiñamiento.^{1, 11, 17}

Conceptos clave

Nucleoide: Masa que forma el cromosoma dentro de la bacteria, sin membrana alrededor.
Superenrollamiento: Enrollamiento del ADN sobre sí mismo. En este cromosoma es negativo: faltan vueltas respecto al ADN relajado.
Plectonema: Tramo de ADN enrollado sobre sí mismo, la forma libre del superenrollamiento.
Dominio: Tramo del cromosoma que unas barreras aíslan de sus vecinos, de modo que un corte no relaja los demás.
MukBEF: Gran complejo de proteínas con brazos largos que se une al cromosoma. Se deduce que los bucles de ADN salen a su alrededor.
Proteínas del nucleoide: HU, IHF y Fis doblan el ADN, cada una de una manera. H-NS lo agrupa en cúmulos.

Actividad de repaso

¿Por qué no cabría el cromosoma si estuviera suelto?

El cromosoma suelto ocuparía, como un ovillo al azar, mucho más que la célula. Por eso hay que reducir su volumen del orden de mil veces.

¿Por qué un círculo cerrado no puede soltar el giro?

Un círculo cerrado no tiene un extremo libre que gire. Sus vueltas solo cambian si una enzima corta el ADN, y cuando faltan, el círculo se tuerce sobre sí mismo.

¿Se ha visto a MukBEF sacar bucles de ADN?

MukBEF no se ha visto sacándolos directamente. Se presume que lo hace, y el eje se vio al producirlo de más en el laboratorio.

Para recordar

El cromosoma de Escherichia coli es un solo círculo de ADN, mucho más largo que la célula que lo contiene.
Cabe gracias a los límites de la célula, a que se enrolla sobre sí mismo, a sus dominios y a las proteínas que lo doblan.
Varias formas del modelo vienen de otras bacterias o del laboratorio, y que MukBEF saque bucles activamente es todavía una presunción.

Cómo está hecho este modelo

Cada pieza del modelo se ha contrastado con las fuentes. Aquí constan su valor y lo que se ha simplificado.

Pieza	Valor	Simplificación	Fuente
Célula	Unos 1000 nm de ancho; 2800 nm con un solo cromosoma	Vidrio coral sin pared ni membrana: 1000 × 2800 nm. En la última parada se estira a 3500 nm con dos nucleoides, y los extremos se deforman un poco; es menos de lo real: en F6 las células que han terminado de copiar superan los 4500 nm. La anchura de 1000 nm viene de un canal y una simulación, no de una célula libre	^{16, 17}
Nucleoide	Elipsoide de 1600 nm en una célula de 2800, con eje helicoidal, que toca la pared a lo ancho y deja hueco hacia los polos; la mano varía incluso dentro de uno solo	Nube de 9000 puntos y 400 trazos, no un sólido y sin volumen afirmado (las fuentes discrepan: 0,2 µm³ frente al 75 % de la célula). 1,5 vueltas elegidas: el paso real no consta en cifras. Un solo sentido de giro	^{1, 2, 11, 17}
Trazos del nucleoide	Unos 400 dominios por cromosoma, 400 es deducción	Un trazo de línea por dominio, con grosor de un píxel y de 170-440 nm de largo, muy por debajo del ADN real (3400 nm por dominio). El contorno dibujado es una fracción mínima de 1,54 mm	^{7, 18}
Haces longitudinales	A menudo dos haces densos dentro del nucleoide; no son los dos brazos del cromosoma ni un andamio	Dos bandas de mayor densidad de puntos, a 115 nm del eje, fijas: en la célula se separan y se juntan	²
Ondas de densidad	Se desplaza un 5-10 % de la señal cada 5 s; la causa no está demostrada	Una onda de 34 nm de amplitud y 1100 nm de longitud que tarda unos 21 s, solo en los puntos y no en los trazos. Forma y cifras de la onda elegidas	²
Anillo del cromosoma	Una molécula circular cerrada, de 1,54 mm de contorno, unos 490 µm de diámetro si fuese un círculo perfecto	Diámetro a escala. El grosor no: el tubo tiene 8400 nm en vez de 2 nm, unas 4200 veces más. Circunferencia perfecta y plana, que no representa cómo está en la célula	^{1, 12, 21}
Célula junto al anillo	Unos 2800 nm frente a unos 490 µm	A escala real ocupa unos 3 píxeles; encima lleva un punto de brillo de 15 píxeles para encontrarla, que no es su tamaño	^{1, 17}
Macrodominios	Ori, Ter, Izquierda y Derecha, de alrededor de 1 Mb, y dos regiones poco estructuradas junto a Ori	Bandas de color solo en el anillo: Ori 20 %, Derecha, Ter e Izquierda 22 % cada una, y 7 % cada región poco estructurada. Los bordes y porcentajes son aproximados, y son promedios de población: no se conoce su contorno en una célula concreta	^{1, 3, 22}
oriC y Ter	oriC, 245 pares en el minuto 84,6, opuesto a Ter	Esferas de 16-18 µm, marcas muy por encima de los 83 nm reales de oriC. Se colocan arriba y abajo por convenio. No se dibujan su región abierta, DnaA ni la IHF que la dobla	^{14, 16, 23}
Sitios matS	Unos 23 sitios en los unos 800 kb de Ter, de 13 pares cada uno	23 puntos de 4 µm repartidos a intervalos iguales sobre la banda Ter: posiciones y tamaño esquemáticos. MatP no se dibuja como proteína, ni su efecto sobre MukBEF	^{1, 12, 13}
Doble hélice: mano	Hélice B dextrógira	Ninguna en la mano: medida en la geometría del navegador, torsión positiva en los 68 puntos de cada hebra	^{4, 24}
Doble hélice: pares por vuelta	10,4 pares por vuelta en solución relajada, 10 en el modelo ideal y 9,8 en un cristal; subida de 0,34 nm	Se dibuja la medida en solución, 10,4 pares por vuelta, con un paso de 3,54 nm	^{1, 4, 24}
Doble hélice: diámetro y tramo	2 nm de diámetro	Hebras de eje a 0,8 nm con tubo de 0,2 nm. Tramo de 96 pares, 33 nm, del que se ven unas 3 vueltas. Cuentas por fosfato: sin átomos	⁴
Surco menor	5,8 Å ideal; por debajo de 5 Å en tramos ricos en A y T	0,58 nm de borde a borde, medidos en la geometría. Para lograrlo, las hebras se separan 122° por ese lado. Igual en toda la hélice salvo en Fis	^{4, 5}
Surco mayor	Su anchura en nm no consta en las fuentes	Sale de la geometría, no de una medida: lo que queda tras el surco menor. A lo largo del eje, 2,36 nm frente a 1,21 nm del menor	⁴
Pares de bases	Separación de 0,34 nm; pares no planos, 17,3° en A·T y 11,5° en C·G en un cristal sintético	Placas, sin anillos ni enlaces: dos colores, con la púrica algo más larga. La inclinación es la de ese cristal, aplicada a todos los pares. La secuencia es inventada, no de un gen	^{4, 24}
Plectonema: forma	Enrollado con eje ramificado; en plásmidos, eje del 41 % de la longitud del ADN	Se dibuja un bucle con dos ramas y con la proporción del 41 %, dato de plásmidos in vitro, no del cromosoma. La posición de la rama es inventada	^{6, 18}
Plectonema: anchura	No consta en el cromosoma	Radio de 5,5 nm y paso de 49,5 nm, elegidos: 13 nm de anchura contando el ADN. El paso sale de exigir el 41 %. Las hebras del bucle cercano van algo engrosadas para verlas, unos 2,2 nm de ADN en total
Plectonema: mano	Dextrógira con superenrollamiento negativo	Superhélice dextrógira, igual en todos los bucles	¹
Plectonema: longitud	Un dominio de 10 kb, unos 3400 nm de ADN y unos 1400 nm de eje	El bucle dibujado tiene unos 500 nm de ADN (unos 1,5 kb) y 206 nm de eje, unas 7 veces menos. El de la roseta, parecido	^{1, 6, 7}
Paso de relajado a plectonema	Un círculo cerrado fija el número de cruces; con densidad media de −0,05 se enrolla	Es una interpolación de formas, sin simular la mecánica ni contar vueltas. Ciclo de 26 s; con movimiento reducido queda enrollado. En relajado es un círculo casi plano	¹
Girasa y topoisomerasa I	La girasa introduce superenrollamiento negativo con ATP y la topoisomerasa I lo relaja	Marcas sin forma real: dos esferas violetas y una naranja, de 3,7 nm de radio. Tamaño y número no constan. Su posición y su pulso son inventados	¹
Dominios en roseta	Unos 400 dominios, de unos 10 kb de media	Solo 8 bucles alrededor de un anillo de 140 nm de diámetro. La disposición en flor es un dibujo: no consta en la célula. Longitudes de eje de 92 a 206 nm	^{7, 18}
Barreras	Separan los dominios; sitios no fijos e identidad sin resolver	Esferas doradas genéricas de 4,6 nm de radio y en sitios fijos, a intervalos iguales. Unas 400 en la realidad, 8 aquí. No se dibuja la ARN polimerasa	^{1, 7}
Corte de un bucle	Un corte relaja solo su dominio, y los vecinos no cambian	Se relaja el bucle en 4 s y se repite cada 18 s: el ciclo y la marca coral son del dibujo	⁷
HU	55.000 moléculas en crecimiento, un dímero cada 150 pares; contacta 14-19 pares; curva de 105-140° en cristal	Una sola copia sobre 30 nm de ADN. Tramo curvo de 6 nm con la curva oscilando entre 105 y 140° en unos 14 s. Forma de Anabaena, simplificada a dos esferas y dos brazos: el tamaño de la proteína no consta	^{1, 8, 11, 19}
IHF	35 pares (unos 12 nm), curva de más de 160°, en sitios específicos	Una copia. Tramo curvo de 12 nm y 165°, fijo. Cuerpo inventado de unos 4 × 6 nm, parecido al de HU	^{1, 9, 23}
Fis	Hélices a 2,5 nm, sitio de 15 pares, curvatura de unos 65°, surco central por debajo de 0,4 nm	Una copia. Tramo curvo de 5 nm y 65°, varillas separadas 2,5 nm, surco central estrechado a unos 0,33 nm. Cuerpo inventado; las varillas no están encajadas con precisión en el surco	^{1, 10, 11}
H-NS en cadena	20.000 moléculas; se extiende sobre tramos de ADN ricos en A y T; filamento o puente sin resolver	12 esferas en una cadena sobre 30 nm: esquema de un filamento, tamaño inventado. No es la superhélice de Salmonella	^{1, 19, 25}
Cúmulos de H-NS	Unos 2 cúmulos por cromosoma, de unos 160 nm	Nubes de 160 nm de diámetro, 4 en la última parada y solo allí, no al alejarse de las proteínas. Posiciones elegidas	¹¹
MukBEF	Brazo de unos 50 nm, dímero de unos 100 nm, unidad funcional de dos dímeros, 100 complejos por célula	Una copia con brazos de unos 50 nm, unos 110 nm de punta a punta. Brazos abiertos, sin el codo plegado, cuya longitud no consta. Cabezas, MukF y MukE son esferas y tubos de tamaño elegido. Forma basada en Photorhabdus thracensis	^{1, 12, 13}
ADN por el anillo de MukBEF	Una hélice atraviesa el anillo, en un estado de descarga con MatP y de otra especie	Hélice de 150 nm que cruza un anillo. Se dibuja con su escala de 2 nm; no hay bucle sujeto. La extrusión no se muestra. Hebras engrosadas para verlas, unos 2,2 nm en total	¹³
Eje de MukBEF con bucles	Solo con sobreexpresión: 1030-1450 nm de largo, menos de 130 nm de grueso, un complejo cada 6 nm y unos 22 kb por complejo	Tramo de 460 nm con una esfera cada 6 nm en lugar de complejos enteros, porque enteros se solaparían y su disposición no consta. 24 bucles abiertos de 38 a 68 nm: un bucle de 22 kb tendría unos 7500 nm de ADN, así que están muy recortados	¹²
Replicación: dos horquillas	Dos replisomas parten de oriC en sentidos opuestos y cada uno copia una mitad; se encuentran en la zona opuesta	Burbuja limpia en el anillo plano, como en células ensanchadas: en el bastón normal va plegada. La separación entre hijas, hasta 61 µm, es del dibujo	^{2, 14, 15}
Velocidad de las horquillas	700-1000 nucleótidos por segundo, unos 240-340 nm por segundo; una ronda tarda de 39 a 65 min	El dibujo la acelera unas 30 veces: 8400 nm por segundo, del 30 al 98 % en 62 s. A escala de anillo, no se puede ralentizar sin dejar de verla. No es lento respecto a lo real	^{2, 15, 16}
Replisoma en el anillo	Núcleo de 50 nm como máximo; seis DnaB, tres polimerasas y SSB	Esferas verdes de 24 µm, unas 500 veces más que los 50 nm. Sin interior: ni helicasa, ni polimerasas ni SSB. Tampoco se dibuja el superenrollamiento delante de la horquilla	^{14, 16, 26}
Tus-Ter	10 sitios, cinco por sentido, en la zona opuesta a oriC; dejan pasar por una cara y bloquean por la otra; las horquillas a menudo se funden antes	Diez esferas de dos colores, de 13 µm y a intervalos iguales, con la cara coral que bloquea hacia el centro: esquema, no las posiciones reales. Todos iguales, aunque pocos son activos. No se muestra el bloqueo ni la citosina volteada	¹⁵
Dos nucleoides	Las hermanas siguen unidas unos 15 min en células ensanchadas y se separan después; la causa está en debate	Dos copias de la misma nube, a escala 0,64, centradas a ±720 nm. Tamaño y distancia elegidos, sin cifra en las fuentes. Sin movimiento propio de separación más allá del desplazamiento con el scroll	^{2, 14}
Focos de replisoma	Dos focos hacia los cuartos de la célula a media replicación; más de 250 nm de separación	Esferas de 50 nm a ±875 nm, con un halo de unos 150 nm para verlos entre los trazos. Los dos nucleoides ya separados y los focos en los cuartos son dos momentos juntos en la misma imagen	^{14, 16, 26}
Escala	Cada escala con su barra, según la especificación	No hay barras porque el lienzo no lleva texto; mide el rótulo de campo de visión. Las posiciones son reales salvo que los laboratorios de proteínas y MukBEF están a ±1400 nm del centro, fuera del nucleoide, y su ubicación no significa nada

Referencias

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La célula

El anillo

La doble hélice

El superenrollamiento

Los dominios

Las proteínas

MukBEF

La copia

De vuelta a la célula