Genética microbiana é uma área de estudo dentro da microbiologia e engenharia genética. A genética microbiana estuda microrganismos para diferentes propósitos. Os microrganismos observados são bactérias e arqueias. Alguns fungos e protozoários também são objetos de estudo nessa área. Os estudos de microrganismos envolvem estudos de genótipo e sistema de expressão. Genótipos são as composições herdadas de um organismo. A Engenharia Genética é um campo de trabalho e estudo dentro da genética microbiana. A utilização da tecnologia do DNA recombinante é um processo deste trabalho. O processo envolve a criação de moléculas de DNA recombinante por meio da manipulação de uma sequência de DNA. O DNA criado fica então em contato com um organismo hospedeiro. A clonagem também é um exemplo de engenharia genética.
Desde a descoberta dos microrganismos por Robert Hooke e Antoni van Leeuwenhoek durante o período de 1665-1885 eles têm sido usados para estudar muitos processos e têm tido aplicações em várias áreas de estudo em genética. Por exemplo: as taxas de crescimento rápido e os tempos de geração curtos dos microrganismos são usados pelos cientistas para estudar a evolução. As descobertas de Robert Hooke e Antoni van Leeuwenhoek envolveram representações, observações e descrições de microrganismos. Mucor é o microfungo que Hooke apresentou e descreveu. Sua contribuição foi o Mucor, o primeiro microrganismo a ser ilustrado. A contribuição de Antoni van Leeuwenhoek aos protozoários e bactérias microscópicas resultou em observações e descrições científicas. Essas contribuições foram realizadas por um microscópio simples, o que levou à compreensão dos micróbios hoje e continua a progredir na compreensão dos cientistas. A genética microbiana também tem aplicações na capacidade de estudar processos e vias semelhantes aos encontrados em humanos, como o metabolismo de medicamentos.
Papel na compreensão da evolução A genética microbiana pode se basear no trabalho de Charles Darwin, e os pesquisadores seguiram explorando suas teorias e conceitos por meio do uso de micróbios. A teoria da seleção natural de Darwin, em particular, é uma fonte empregada. A pesquisa da evolução por meio da genética microbiana envolve cientistas em busca do equilíbrio evolutivo. Um exemplo de como isso pode ser alcançado é por meio do estudo da seleção natural ou da deriva de micróbios. A aplicação desse conhecimento decorre da investigação da presença ou ausência de diversas formas. Os métodos envolvem a identificação de determinados trajetos, genes e funções. Após a observação do sujeito, o cientista pode compará-lo a uma sequência de gene conservada. O processo de estudo da evolução microbiana desta forma não permite fornecer uma escala de tempo de quando a evolução ocorreu. Entretanto, ao testar a evolução dessa maneira, os cientistas podem aprender as taxas e os resultados da evolução. O estudo da relação entre micróbios e o meio ambiente é um componente fundamental para a evolução da genética microbiana.
Microrganismos cujo estudo é abrangido pela genética microbiana Bactérias miniaturadaimagem| As bactérias são classificadas pelo seu formato. As bactérias existem neste planeta há aproximadamente 3,5 bilhões de anos e são classificadas por sua forma. A genética bacteriana estuda os mecanismos de sua informação hereditária, seus cromossomos, plasmídeos, transposãos e fagos.
Os mecanismos de transferência de genes amplamente investigados em bactérias englobam transformação genética, conjugação e transdução. A transformação natural é um mecanismo de adaptação bacteriana que permite a transferência de DNA de uma célula para outra por meio de um intermediário. A coleta do DNA do doador e sua integração recombinacional no cromossomo receptor dependem da expressão de diversos genes bacterianos, cujos produtos orientam essa operação. De modo geral, a transformação é um processo de desenvolvimento complexo que demanda energia e aparenta ser uma adaptação para corrigir danos no DNA.
Conjugação bacteriana é a transferência de material genético entre células bacterianas por contato direto de célula para célula ou por uma conexão semelhante a uma ponte entre duas células. A conjugação bacteriana foi extensivamente estudada em Escherichia coli, mas também ocorre em outras bactérias, como Mycobacterium smegmatis. A conjugação requer contato estável e prolongado entre uma cepa doadora e uma receptora, é resistente à DNase e o DNA transferido é incorporado ao cromossomo receptor por recombinação homóloga. A conjugação de E. coli é mediada pela expressão de genes de plasmídeo, enquanto a conjugação micobacteriana é mediada por genes no cromossomo bacteriano.
Transdução é o processo pelo qual DNA estranho é introduzido em uma célula por um vírus ou vetor viral. Transdução é uma ferramenta comum usada por biólogos moleculares para introduzir de forma estável um gene estranho no genoma de uma célula hospedeira.
Arqueia Archaea é um domínio de organismos procariontes, unicelulares, que se acredita terem se desenvolvido há 4 bilhões de anos. "Eles não têm núcleo celular ou quaisquer outras organelas dentro de suas células". As arqueias se replicam assexuadamente em um processo conhecido como fissão binária. O ciclo de divisão celular inclui o momento em que os cromossomos das células-filhas se replicam. Como as arqueias têm uma estrutura cromossômica singular, as duas células-filhas se separam e a célula se divide. As arqueias têm motilidade, incluindo flagelos, que são estruturas semelhantes a caudas. Os cromossomos arqueanos replicam-se a partir de diferentes origens de replicação, produzindo duas células-filhas haplóides. Eles compartilham um ancestral comum com as bactérias, mas estão mais intimamente relacionados aos eucariotos em comparação com as bactérias. Algumas arqueia são capazes de sobreviver em ambientes extremos, o que leva a muitas aplicações no campo da genética. Uma dessas aplicações é o uso de enzimas arqueanas, que seriam mais capazes de sobreviver a condições adversas in vitro.
A transferência de genes e a troca genética foram estudadas no arqueio halofílico Halobacterium volcanii e nos arqueios hipertermofílicos Sulfolobus solfataricus e Sulfolobus acidocaldarius. H. volcani forma pontes citoplasmáticas entre células que parecem ser usadas para transferência de DNA de uma célula para outra em qualquer direção. Quando S. solfataricus e S. acidocaldarius são expostos a agentes que danificam o DNA, a agregação celular específica da espécie é induzida. A agregação celular medeia a troca de marcadores cromossômicos e a recombinação genética com alta frequência. Acredita-se que a agregação celular melhora a transferência de DNA específica da espécie entre as células Sulfolobus, a fim de proporcionar maior reparo do DNA danificado por meio de recombinação homóloga. As arqueias são divididas em 3 subgrupos: halófilos, metanogênicos e termoacidófilos. O primeiro grupo, os metanógenos, são arqueiobactérias que vivem em pântanos e brejos, bem como no intestino dos humanos. Eles também desempenham um papel importante na decomposição e decaimento de organismos mortos. Metanógenos são organismos anaeróbicos que morrem quando expostos ao oxigênio. O segundo subgrupo de arqueiobactérias, os halófilos, são organismos presentes em áreas com alta concentração de sal, como o Grande Lago Salgado e o Mar Morto. O terceiro subgrupo, os termoacidófilos, também chamados de termófilos, são organismos que vivem em áreas ácidas. Eles estão presentes em áreas com baixos níveis de pH, como fontes termais e gêiseres. A maioria dos termófilos são encontrados no Parque Nacional de Yellowstone.
A Genética Arqueana é o estudo de genes que consistem em células sem núcleo único. As arqueias possuem um único cromossomo circular que contém múltiplas origens de replicação para o início da síntese de DNA. A replicação do DNA de arqueia envolve processos semelhantes, incluindo iniciação, alongamento e terminação. A primase usada para sintetizar um primer de RNA varia daquela usada em eucariotos. A primase por arqueia é uma versão altamente derivada do motivo de reconhecimento de RNA (RRM). As arqueias vêm de bactérias Gram positivas, que têm uma única bicamada lipídica e são resistentes a antibióticos. As arqueas são semelhantes às mitocôndrias dos eucariotos, pois liberam energia como trifosfato de adenosina (ATP) por meio de uma reação química chamada metabolismo. Algumas arqueias conhecidas como arqueias fototróficas usam a energia do sol para produzir ATP. A ATP sintase é usada como fotofosforilação para converter produtos químicos em ATP.
Arqueia e bactérias são estruturalmente semelhantes, embora não sejam intimamente relacionadas na árvore da vida. Os formatos das bactérias e das células das arqueias variam de um formato esférico conhecido como cocos até um formato de bastonete conhecido como bacilo. Eles também não possuem membrana interna e possuem parede celular que auxilia a célula a manter sua forma. Embora as células arqueanas tenham paredes celulares, elas não contêm peptidoglicano, o que significa que as arqueias não produzem celulose ou quitina. As arqueias são as mais intimamente relacionadas aos eucariotos devido ao tRNA presente nas arqueias, mas não nas bactérias. As arqueias têm os mesmos ribossomos que os eucariotos que sintetizam em proteínas. Além da morfologia das arqueias e bactérias, existem outras diferenças entre esses domínios. Arqueias que vivem em ambientes extremos e hostis com baixos níveis de pH, como lagos salgados, oceanos e no intestino de ruminantes e humanos, também são conhecidas como extremófilas. Em contraste, as bactérias são encontradas em várias áreas, como plantas, animais, solo e rochas.
Fungos Os fungos podem ser organismos multicelulares ou unicelulares e se diferenciam de outros micróbios pela forma como adquirem nutrientes. Os fungos liberam enzimas ao seu redor para degradar a matéria orgânica. A genética fúngica emprega leveduras e fungos filamentosos como organismos modelo para estudos genéticos em eucariotos, abrangendo a regulação do ciclo celular, a estrutura da cromatina e a regulação genética.
Estudos do fungo Neurospora crassa contribuíram substancialmente para a compreensão de como os genes funcionam. N. crassa é um tipo de mofo vermelho do pão do filo Ascomycota. Ele é usado como organismo modelo porque é fácil de cultivar e tem um ciclo de vida haploide que torna a análise genética simples, já que características recessivas aparecerão na prole. A análise da recombinação genética é facilitada pelo arranjo ordenado dos produtos da meiose nos ascósporos. Em seu ambiente natural, N. crassa vive principalmente em regiões tropicais e subtropicais. Muitas vezes pode ser encontrado crescendo em matéria vegetal morta após incêndios.
Neurospora foi usado por Edward Tatum e George Beadle em seus experimentos pelos quais ganharam o Prêmio Nobel de Fisiologia ou Medicina em 1958. Os resultados desses experimentos levaram diretamente à hipótese de um gene-uma enzima, de que genes específicos codificam proteínas específicas. Este conceito provou ser o tiro de abertura para o que se tornou a genética molecular e todos os desenvolvimentos que se seguiram a partir daí.