ISSN 2477-9105
Número 27 Vol.1 (2022)
26
DETERMINANTES GENÉTICOS Y SUS MECANISMOS DE ACCIÓN
IMPLICADOS EN LA RESISTENCIA BACTERIANA A METALES
PESADOS: UNA REVISIÓN.
Genetic determinants and their mechanisms of action involved in bacterial resistance to heavy
metals: a review.
1
Iza Guaman Joana Fernanda* ,
1
Recalde Moreno Celso Guillermo ,
2
Iza Guaman Cristian
Fabricio
1
Escuela Superior Politécnica de Chimborazo, Facultad de Ciencias, Carrera de Ingeniería en
Biotecnología Ambiental / Grupo de Energias Alternativas y Ambiente, Riobamba, Ecuador.
2
Universitat Politécnica de Valéncia, Escuela Técnica Superior de Ingeniería del Diseño ETSID,
Valencia, España.
*joana.iza@espoch.edu.ec
Se identificó y describió los principales determinantes genéticos implicados en la resistencia bacteria-
na a metales pesados reportados en la literatura, así como sus usos a nivel biotecnológico y ambiental.
Se llevó a cabo una revisión bibliográfica de información de los últimos 10 años encontrados en re-
vistas con indexación SJR disponibles en las diferentes bases de datos; bosquejando la situación actual
del conocimiento sobre el tema y realizando comparaciones cualitativas entre las investigaciones se-
leccionadas. Las bacterias se encuentran en constante evolución y se vuelven más resistentes gracias
a la adquisición de genes que les permite hacer frente a los efectos tóxicos de los metales. Por ello, se
compiló desde varios autores los determinantes genéticos de resistencia bacteriana para los metales,
como el arsénico, mercurio, cromato y cadmio siendo respectivamente: ars, mer, chr, cad y czc; estos
sistemas pueden localizarse en el cromosoma o plásmidos de las bacterias. Se describe el mecanismo
de acción que codifica cada determinante, siendo la regulación y la desintoxicación enzimática los
principales mecanismos. Finalmente, se comparó las aplicaciones biotecnológicas y ambientales de
los determinantes, encontrándose un amplio uso en la construcción de biosensores y organismos
genéticamente modificados.
Palabras Claves: Proteínas, enzimas, transcripción, transgénicos
The main genetic determinants involved in bacterial resistance to heavy metals reported in the
literature were identified and described, as well as their uses at biotechnological and environmental
levels. A bibliographic review of information from the last ten years found in SJR indexed journals
available in different databases was carried out, outlining the current state of knowledge on the
subject and making qualitative comparisons between the selected researches. Bacteria are constantly
evolving and becoming more resistant thanks to the acquisition of genes that enable them to cope
with the toxic effects of metals. Therefore, the genetic determinants of bacterial resistance to metals
such as arsenic, mercury, chromate and cadmium were compiled from several authors, being
respectively: ars, mer, chr, cad and czc; these systems can be located in the chromosome and plasmids
of bacteria. The mechanism of action encoded by each determinant is described, mainly regulation
and enzymatic detoxification. Finally, the biotechnological and environmental applications of the
determinants were compared, finding wide use in the construction of biosensors and genetically
modified organisms.
Keywords: Proteins, enzymes, transcription, transgenics
Fecha de recepción: 24-09-2021 Fecha de aceptación: 09-11-2021 Fecha de publicación: 31-01-2022
R
esumen
A
bstract
DOI: https://doi.org/10.47187/perf.v1i27.147
27
I. INTRODUCCIÓN
La contaminación ambiental generada por me-
tales pesados es una de las principales preocupa-
ciones a nivel mundial, altas concentraciones de
estos elementos constituyen un grave problema,
porque tienden a bioacumularse en el medio
ocasionando daño celular y disfunción de los sis-
temas vitales en los organismos vivos que entran
en contacto con ellos (1). Algunos metales como
el Ni y Co, son esenciales a bajas concentracio-
nes porque actúan como cofactores enzimáticos,
pero los metales como el Hg, Cr, Cd, Pb entre
otros resultan tóxicos incluso a bajas concentra-
ciones (2). Los entornos que presentan elevadas
concentraciones de metales pesados constituyen
un factor determinante en la evolución de la fi-
siología celular de ciertas especies bacterianas,
ya que les permite desarrollar mecanismos para
adaptarse y sobrevivir a estos medios cambiantes
(3).
La asociación entre los contaminantes y la mi-
crobiota residente da lugar a una serie de proce-
sos adaptativos que finalmente se expresan como
mecanismos de resistencia, los cuales pueden ser
codificados genéticamente, constitutivos o indu-
cidos por la presencia del metal (3,4). Los meca-
nismos de resistencia desarrollados por las bacte-
rias se encuentran asociados a los denominados
determinantes genéticos, los cuales pueden estar
localizados en el cromosoma o en elementos ge-
néticos móviles (2).
Las comunidades bacterianas en los sitios con-
taminados prosperan con la carga orgánica acu-
mulada, productos tóxicos y metales pesados
presentes en ellos. En dicho entorno, se espera
que los microorganismos residentes posean ge-
nes que les permita degradar diversos contami-
nantes (5,6). En la presente revisión se identificó
y describió los principales determinantes gené-
ticos implicados en la resistencia bacteriana a
metales pesados, así como sus usos potenciales a
nivel biotecnológico y ambiental.
II. MATERIALES Y MÉTODOS
IDENTIFICACIÓN:
Revisión bibliográfica de la literatura en las ba-
ses de datos (Scimago Journal & Country Rank;
Redalyc; Scielo; Science Direct; Pubemed-NCBI,
Nature, Oxford Academic, Plos, Elsevier, Sco-
pus) a partir de un protocolo de busqueda ex-
haustivo. Se emplearon palabras clave como: ars
operón, mer operón, chr operón, cad operón.
Adicionalmente, se usaron operadores boolea-
nos con las palabras clave como: ars operon AND
mechanism, mer operon AND mechanism, cad
mechanism OR expression, chr mechanism OR
expression.
TAMIZACIÓN:
En esta etapa se aplicaron los criterios de inclu-
sión: estudios dentro de revistas SJR de alto im-
pacto, máximo 10 años de antigüedad, disponi-
bles en el idioma inglés o español, con términos
de búsqueda en el título o resumen y que conten-
gan información referente a los determinantes
de resistencia a metales pesados y sus mecanis-
mos de acción.
ELECCIÓN:
Los criterios de exclusión correspondían a estu-
dios que no contengan información relevante, se
excluyeron investigaciones que no reporten in-
formación completa como: los genes que inter-
vienen en el mecanismo de resistencia, aquellos
que no especifiquen los productos de los genes
implicados en la resistencia, información sin da-
tos de los ensayos, aquellos que no muestren el
efecto del metal sobre el crecimiento bacteriano.
INCLUSIÓN:
A los estudios seleccionados con las fases ante-
riores se les realizó la extracción de las siguientes
variables: año y lugar de estudio, tipo de deter-
minante genético, mecanismo de acción investi-
gado y potencial biotecnológico y ambiental.
ANÁLISIS DE LA INFORMACIÓN:
En el análisis se realizó una síntesis cualitativa de
la información.
III. RESULTADOS
DETERMINANTES DE RESISTENCIA AL
ARSÉNICO Y SUS MECANISMOS
La organización de los operones ars varía entre
Iza, Recalde, Iza
28
las diferentes cepas bacterianas; sin embargo,
existen genes centrales que siempre están pre-
sentes, un claro ejemplo es el operón arsRBC
presente en Pseudomonas fluorescens MSP3,
Staphylococcus aureus y Exiguobacterium an-
tarcticum B7 (1,2). Otro conjunto de genes pre-
sente en pocos genomas es el operón arsRDABC,
este sistema se ha identificado en Acidiphilium
multivorum AIU301 y en el plásmido R733 de
Escherichia coli (3,4). En todos estos genomas se
evidencia la presencia del gen arsR, no obstan-
te, en Shewanella sp. O23s, arsR no se encuentra
dentro del conjunto de genes ars, pero sigue re-
gulando la expresión del operón (5). El producto
génico de arsR es un represor transcripcional que
responde a As
3+
(6,7). En Rhodopseudomonas pa-
lustris CGA009 cuando el As
3+
está ausente, ArsR
se une a la región operador/promotor del operón
y, por lo tanto, reprime la transcripción de los
genes aguas abajo. En contraste, cuando el As
3+
está disponible, ArsR se une a él y pasa por cam-
bios conformacionales, disociándose de la región
operador/promotor (8,9).
El gen más frecuente en el entorno es arsC, su
diversidad es producto de su funcionamiento en
condiciones aeróbicas, anaeróbicas e incluso en
amplios rangos de pH y temperatura, incluidos
los extremos (10,11). En contraste, se ha encon-
trado que arsB y acr3 están ampliamente distri-
buidos en el genoma de bacterias resistentes al
arsénico (12). Por su parte, Li et al. (13) identifi-
can al gen acr3 como la principal bomba de salida
de As
3+
en la familia Burkholderiaceae. Asimis-
mo, Bacillus sp. PVR-YHB1-1 y 58 de 98 aislados
de Campylobacter sp., portan el gen acr3 (14,16).
Por el contrario, el gen arsB ha sido identificado
en Acidithiobacillus ferrooxidans AO1, Pseudo-
monas putida KT2440 y está presente en 76 de
98 aislados de Campylobacter sp. (17, 18, 16).
Los productos génicos de los determinantes arsB
y acr3, llevan a cabo el mecanismo de expulsión
del As
3+
de la célula. El sistema de eflujo de As
3+
en C. glutamicum se basa en dos permeasas Acr3
que no usan ATP para la liberación del As
3+
; sin
embargo, trabajan juntas con diferente eficiencia
(9). Villadangos et al. (19) mostraron que CgA-
cr3-1 es un antiportador que cataliza el intercam-
bio de arsenito-protón con los residuos Cis129
y Glu305. Por el contrario, en Exiguobacterium
sp., aislada de lagos andinos de altura de los An-
des Sudamericanos, se ha identificado la bomba
ArsB, la cual no contiene cisteínas conservadas y
no hay tiolatos implicados en la translocación de
As
3+
(2,19)
Los genes arsA y arsD están presentes en el geno-
ma de O. tritici SCII24T, A. multivorum AIU301
y en E. coli. En la cepa AIU301, se ha demostra-
do la función reguladora del gen arsD (15, 18, 4,
20). Por otra parte, en Bacillus sp. PVR-YHB1-1
y CDB3, este par de genes siempre están juntos,
porque presentan funciones interrelacionadas, es
decir, el producto génico de arsD funciona como
una metalochaperona, que transfiere arsénico al
gen arsA y activa la bomba de salida de As
3+
(20,
14, 21, 22).
Los operones ars confieren resistencia al arséni-
co inorgánico, pero también pueden acoplarse
con otros genes ars para permitir la desintoxi-
cación de los organoarsénicos (23, 4). Por otro
lado, el gen arsM de R. palutris CGA009 permite
la generación de compuestos metilados, en esta
cepa, arsM se induce por As
3+
(8). Firrincieli et
al. (24) han identificado el gen arsI en varias
cepas de Rhodococcus sp., principalmente, en
Rhodococcus aetherivorans BCP1 (21). La acti-
vidad de ArsI depende de Fe
2+
y usa O
2
para la
ruptura del enlace, la unión de O
2
a Fe
2+
permite
la transferencia de electrones, convirtiendo el O
2
en un anión superóxido (O
2
)
-2
que ataca a los or-
ganoarsénicos y forma un intermedio alquilpe-
roxo-Fe
2+
, rompiendo el enlace C-As (25).
El gen arsH está presente solamente en bacte-
rias aeróbicas, como O. tritici SCII24T y A. fe-
rrooxidans AO1 (26, 15, 27). Por otro lado, Shen
et al. (16) identifican el gen arsP en 54 aislados
de Campylobacter jejuni, y evidencia la presencia
de arsP en bacterias aeróbicas, no obstante, tam-
bién está presente en bacterias anaeróbicas (26).
Chen et al. (29) proponen un mecanismo llevado
a cabo por ArsH: la reacción reductora consiste
en la formación de un complejo FMN-NADPH
oxidado seguido de una transferencia de hidru-
ro de NADPH a FMN, generando FMNH2 y li-
berando NADP+. En la reacción oxidativa, una
molécula organoarsénica se coloca cerca del
29
FMNH2. La flavina reducida es oxidada por O
2
,
produciendo H
2
O, seguido de la oxidación del
arsénico trivalente.
DETERMINANTES DE RESISTENCIA AL
MERCURIO Y SUS MECANISMOS
En Bacillus thuringiensis PW-05 aislado de la
costa de Odisha, se ha identificado el determi-
nante merRTPA, siendo el conjunto de genes más
simples para la resistencia al Hg
2+
(30). El operón
mer es regulado por el gen merR, sin embargo, en
los Bacteroidetes aislados del Alto Ártico, no está
presente este gen, sino arsR, en consecuencia, es
posible que merR sea un desarrollo posterior en
la evolución del operón mer, que remplaza a los
genes reguladores arsR y genera sistemas mer
más eficientes (31). La proteína MerR en ausen-
cia de Hg
2+
, reprime la transcripción de los ge-
nes estructurales al capturar la ARN polimerasa
en un estado inactivo cerrado. En presencia de
Hg
2+
, MerR se une a una secuencia de ADN en
las regiones -35 y -10 de su ADN promotor. Tras
la unión de Hg
2+
, los cambios de conformación
de MerR inducen un subenrollamiento del ADN
promotor, facilitando la formación de un com-
plejo abierto para iniciar la transcripción (32).
Los genes merP y merT se distribuyen por todo
el árbol logenético (33). Por el contrario, Jan
et al. (34) identicaron que de 18 cepas aisladas
de sitios contaminados de la India, 14 aislados
portaban el gen merP y solo 12 cepas el gen merT.
Principalmente, P. aeruginosa ARY1 y Klebsiella
sp. ND3 portaban el gen merP y merT. Además,
Klebsiella pneumonia ND6 portaba el gen merP,
pero carecía de merT, por lo tanto, se evidencia
que la función de merT es compensada por otro
gen transportador. El gen merP codica para la
proteína MerP, que elimina el Hg
2+
o el CH
3
Hg
en el periplasma y lo transere a los diferentes
transportadores (35, 36). En el transposon Tn501
de P. aeruginosa, el Hg
2+
es secuestrado por el
par de grupos tiol en MerP y posteriormente,
transferido al par de grupos tiol ubicados en el
primer dominio transmembrana de MerT. A
continuación, el Hg
2+
unido, se pasa a través de
la membrana hasta el par de cisteínas en la cara
citoplásmica de MerT (37). Desde MerT, el Hg
2+
pasa a MerA.
El gen merA es el determinante clave para la
resistencia al Hg
2+
y se encuentra omnimpresente
en el entorno (38, 39). Sin embargo, Boyd y Barkay
(33) establecen que el gen merA, no se encuentra
en taxones y gremios microbianos completos y rara
vez es identicado en anaerobios estrictos (33). En
contraste, la bacteria aeróbica P. pseudoalcaligenes
carece de merA, por lo tanto, la resistencia al
Hg
2+
depende de una estrategia mediada por
merT y merP (40). Lian et al. (41) proponen un
mecanismo para el gen merA presente en el Tn 501
de P. aeruginosa: Cis11 y 14 están presentes en el
dominio N- terminal de MerA; NmerA se une y
entrega el Hg
2+
al par de cisteínas C-terminal (Cis
558 y 559) (42). Después de que el Hg
2+
seune a
este par de cisteínas, la cola C-terminal cambia
de conformación y mueve el complejo al interior
de la proteína donde el Hg
2+
se transere al par
de cisteínas del sitio activo, Cis 136 y 141. El otro
sustrato (NADPH), transere un hidruro a FAD,
produciendo FADH
2
y NADP+ oxidado. Luego,
FADH
2
reduce el complejo Cis141-S-Hg
2+
-S-
Cis136 para producir Hg
0
.
El gen merB del sistema de espectro ancho
otorga la resistencia a los compuestos
organomercuriales. Mindlin et al. (28) identican
el gen merB en la cepa A. lwoi ED23-35 aislada
del permafrost. De modo similar, en el Tn
6294 de Bacillus sp. EOA1 aislada de Taiwan y
Pseudomonas putida W619 aislada de un suelo
contaminado con níquel está presente el gen merB
(43, 44). Boyd y Barkay (33) han identicado
que 42 cepas, principalmente, distribuidas entre
los Bacteroidetes, Actinobacteria, Firmicutes y
Proteobacterias portan el gen merB en su genoma.
Paralelamente, se ha identicado la presencia
del gen merB en las Gamma Proteobacterias
aisladas del Alto Ártico (31). A partir de estos
ejemplos, resulta evidente la distribución de
merB en bacterias Gram negativas, sin embargo,
se reporta que es más común en bacterias Gram
positivas (45).
El producto génico de merB del plásmido R831b
presenta la Cis96, 159 y Asp 99 que son los
residuos catalíticos conservados en las proteínas
MerB. Guo et al. (46) denen dos mecanismos
llevados a cabo por merB. En el primero, el CH
3
-
Hg se une a uno de los dos residuos de cisteína
Iza, Recalde, Iza
30
del sitio activo (Cis96 o 159) (47). La otra
cisteína dona un protón al grupo saliente (CH
3
-
),
generando la escisión del enlace y la formación
de CH
4
. En el segundo mecanismo, el CH
3
-Hg
se une a una de las dos cisteínas del sitio activo,
pero en lugar de protonar el grupo saliente, la
otra cisteína transere un protón a Asp99. Este
paso permite que ambas cisteínas se coordinen
con el metilmercurio. Tras la coordinación,
Asp 99 protona el (CH
3
-
) saliente y produce los
productos de ruptura Hg
2+
y CH
4
.
Los operones mer han aumentado sus
complementos genéticos y por tal razón su
diversidad funcional (48). Los genes que
codican transportadores alternativos son
comunes en operones de evolución reciente (33).
Se ha identicado que el gen merG está presente
(de 272 aislados) en 3 cepas de Pseudomona sp.,
y en 2 cepas aisladas del suelo, lo que sugiere la
presencia de merG, solo en cepas que contengan
el gen merB (33). El gen merF en Proteus
mirabilis PW4c ha sido identicado como un
transportador, en cambio, en Pseudomonas
stutzeri273 aislada de sedimentos de mar, merF
es el gen clave para la formación de agelos (49,
48). Hwang et al. (50) caracterizaron la dinámica
de MerF unido al Hg
2+
, al recibir el Hg
2+
de
MerP, la Cis 21 y 22 de MerF lo transere a Cis
71 y 72, las cuales lo transeren a MerA en el
citoplasma. MerF presenta dos pares de cisteínas
universalmente conservadas, debido a su función
en el transporte de Hg
2+
(35).
Determinantes de resistencia al cromato y sus
mecanismos
El determinante de resistencia al cromato (chr),
se ha detectado en varios géneros bacterianos.
Adekanmbi et al. (49) identicaron (de 40 cepas
aisladas de aguas residuales de impresión) los
genes chrAB en P. aeruginosa, Providencia
vermicola PWAP3 y P. mirabilis PW4c
corroborando la distribución de los genes chr en
los plásmidos de bacterias Gram negativas. De
manera similar, este mismo sistema de genes se
ha identicado en los plásmidos de 40 aislados
de las Enterobacteriaceae (de 109 aislados
nosocomicales) y en las cepas ED9-5a y EK30A
de A. lwoi (51, 28). En contraste, el gen chrA
puede estar presente en plásmidos y cromosomas
de Proteobacterias (Shewanella oneidensis MR-
1), Cyanobacteria, Actinobacteria y Firmicutes
(52, 51, 53).
O. tritici 5bvl1 y Burkholderia xenovorans
LB400 contienen el determinante chrBACF
ubicados en el cromosoma y en un mega
plásmido respectivamente (54, 55). Cupriavidus
metallidurans CH34 contiene genes para la
resistencia al Cr
6+
en el plásmido pMOL28 y en el
cromosoma (56). No obstante, solamente chrB y
chrA son esenciales para la resistencia al cromato
(57). Tanto en O. tritici 5bvl1 y Lysinibacillus
sphaericus Ot4b.31; ChrB se induce por Cr
6+
,
esta interacción evita que ChrB se una a la región
promotora generando una desrepresión del
sistema que conduce a la expresión de los genes
estructurales (54, 58). En contraste, ChrB de
C. metallidurans CH34 activa el sistema chr en
respuesta al cromato y sulfato (54). De manera
similar, Verduzo y Julia (59) establecen que ChrS
de Bacillus subtilis 168, regula negativamente
el operón chr por la unión de ChrS a la región
reguladora de su propio gen, y lo regula
positivamente por Cr
6+
(59).
Branco y Morais (61) establecen la importancia de
los genes chrC y chrF para evitar la acumulación
de especies reactivas de oxígeno (ROS) en las
células sometidas a estrés por cromato; además,
establecen una gran similitud entre el producto
génico de chrC de la cepa 5bvl1 con la Fe-SOD
(ChrC) de C. metallidurans CH34. En contraste,
el producto génico de chrF de Cupriavidus
neocaledonicus STM 6070 aislada de un suelo
rico en níquel y el producto del gen chrI de C.
metallidurans CH34 han sido identicados como
represores del operón chr (62, 63). Sin embargo,
esto diere de otro estudio, en el cual identican
que chrF codica para un superóxido dismutasa
(Mn-SOD) (61).
Determinantes de resistencia al cadmio y sus
mecanismos
El sistema de resistencia al cadmio en las
bacterias Gram positivas es el sistema cad, se
ha identicado el conjunto de genes cadCA en
S. aureus ATCC12600 aislado de un ambiente
31
hospitalario, en Bacillus vietamensis 151–6 y
Bacillus marisavi 151–25 aisladas de un suelo
contaminado con cadmio (64, 65, 66, 67). Por
otro lado, en el genoma de la cepa JMAK1 de
Bacillaceae aislada de la estación Concordia de
la Antártica, se ha evidenciado la presencia de
los genes cadA, cadC y cadD (68). El gen cadC
codica para el represor CadC que se disocia del
operador/promotor de cad tras la unión de Cd
2+
(65). CadC de la cepa ATCC12600 presenta dos
sitios de unión al metal (64). Por el contrario,
CadC de Listeria monocytogenes EGDe, carece
del sitio de tipo II. En esta cepa, CadC es un
regulador dependiente de Cd
2+
para la expresión
de cadAC y lspB (69).
Los genes cadXD son otro mecanismo de
resistencia al cadmio y zinc; se ha identicado
este sistema en S. aureus ST398-t571 aislado de
una muestra nasal (70). Del mismo modo, se ha
encontrado en S. aureus y A. ferrooxidans ATCC
23270, el operón cadXB y cadAB respectivamente
(71, 72). Adicionalmente, la resistencia al cadmio
en P. aeruginosa BC15 aislada de aguas residuales
y P. putida W619 aislada de un sitio contaminado
con níquel; se logra mediante la función de dos
genes vitales cadR y cadA (73, 74).
CadR de P. aeruginosa BC15, reprime su propia
expresión y la de cadA en ausencia de Cd
2+
,
pero se induce en su presencia. CadR presenta
2 tipos distintos de sitios de unión a metales en
el extremo C-terminal. Prabhakaran et al. (74)
establecen que los residuos de cisteína inician la
expresión de CadR desde su promotor, además, la
curvatura en PcadR permite a la ARN polimerasa
acceder al sitio completo del promotor para la
transcripción. Al unirse el Cd
2+
al sitio I, orienta
el dominio C-terminal, cambiando el promotor
de un estado represor a un estado parcialmente
distorsionado.Con una mayor unión de Cd
2+
al
sitio II, CadR se estabiliza y se transforma en un
activador estable (23)
Tynecka et al. (82) proponen un mecanismo
llevado a cabo por CadA para extruir el Cd
2+
:
dos Cd
2+
ingresan a través del uniportador
de Mn
2+
, la unión de Cd
2+
a CadA provoca la
fosforilación de la proteína por ATP, y un cambio
de conformación de la cara citoplasmática al
periplasma. En consecuencia, un mayor número
de protones bombeados a través de la cadena
respiratoria compiten con el Cd
2+
externo y se
unen a sitios de supercie de baja anidad en
CadA.Finalmente, los protones cotransportados
hacia abajo a través del canal, extruden dos Cd
2+
a través delintercambioCd
2+
/ H
+
.
Un sistema de resistencia al Cd
2+
, Co
2+
y Zn
2+
en bacterias Gram negativas es el sistema (czc).
P. putida SB32 y Pseudomonas monteilii SB35
contienen en sus plásmidos el sistema czc
(65,75). En A. ferrooxidans ATCC 23270 y en
Marinobacter adhaerens HP15 aislada de un
entorno marino, se han encontrado los genes:
czcA, czcB y czcC, además, se ha evidenciado que
la bomba czcABC en la cepa HP15 es especíca
para zinc (72, 76, 77). El sistema czcICBA
es el determinante más conservado en el
géneroCupriavidus, por lo tanto, resulta evidente
su presencia en C. metallidurans CH34 y BS1
(78,77).
Potencial biotecnológico de los determinantes
genéticos
La constante búsqueda de nuevas cepas
microbianas potencialmente resistentes a
iones tóxicos, ha abierto el camino hacia el
descubrimiento de tecnologías innovadoras
basadas en el empleo de estos microorganismos.
Es así que los determinantes de resistencia poseen
una gama de aplicaciones, entre estas se incluyen
su uso para la construcción de biosensores y de
organismos útiles para la descontaminación del
medio (79, 86, 83).
La tabla 1, detalla los avances más actuales en
el desarrollo de biosensores mediante el uso de
genes reguladores: arsR, merR, cadC, y chrB
Biosensor Rango de
detección
Gen
bacteriano Referencia
Biorreportador bioluminis-
cente para la evaluación de
la contaminación por arséni-
co en muestras de agua de la
India
0,74 -60
μg/L As
3+
arsR-lux (79)
Biosensor bacteriano a base
de color de bajo costo para
medir el arsénico en el agua
subterránea.
10 - 500
μg/L As
3+
arsR-lacZ (80)
Iza, Recalde, Iza
32
Biosensor bacteriano para la
detección de mercurio en so-
luciones liquidas.
10
-4
y 10
-8
M Hg
2+
merR-gfp (81)
Biosensor bacteriano de cé-
lulas completas para la detec-
ción de cadmio.
1 mM;
1 μM;
10nM
Cd
2+
cadC-gfp (79)
Bioinformadores de células
enteras altamente sensibles y
especícos para la detección
de cromato en muestras am-
bientales
1 μM -50
μM Cr
6+
;
0,1- >50
μM Cr
6+
chrB-gfp (83)
Tabla 1. Biosensores basados en diferentes genes de resistencia a metales
pesados
Una mayor familiaridad con el circuito regulador
de los determinantes genéticos se ha aprovechado
para la construcción de biosensores. Sharma et
al. (79) altera E. coli DH5α para producir luz
cuando entra en contacto con iones de As
3+
.
Fusionaron el gen arsR y el gen lux. El biosensor
exhibió un rango de detección de 0,74 a 60
μg/L As
3+
, la luz fue emitida a los 30 minutos de
exposición, obteniendo resultados conables a
las 2 h. En contraste, Huang et al. (80) generaron
un biosensor basado en color; el casete arsR-lacZ
fue insertado en la cepa de E. coli DH5. Su rango
de detección fue de 10 a 500 μg/L de As
3+
y a
las 3 h se evidenció el color azul. Este biosensor
provee una señal de color conable, y es útil para
la detección rápida del As
3+
.
Debido a la alta toxicidad del mercurio en el agua,
Roointan et al. (81) han construido un biosensor
usando el gen merR de Pseudomonas sp. y la
proteína de uorescencia verde (GFP) en la cepa
E. coli BL21 (DE3). Su rango de detección fue de
10
-4
y 10
-8
M a las 3 h. A concentraciones bajas la
expresión de GFP es baja y a concentraciones altas
la expresión de GFP se reduce. La sensibilidad y
el breve tiempo de respuesta resulta ventajoso
para la detección in situ de la contaminación por
mercurio en agua. Según los valores estándar
de mercurio en agua (0,001 mg/L), este rango
de detección es consistente para su aplicación.
Sin embargo, debido a la falta de merA en el
biosensor, se dio una reducción de la intensidad
de la uorescencia a altas concentraciones.
Por otro lado, el gen regulador del operón cad
se usó para la construcción de un biosensor
microbiano en respuesta a Cd
2+
; E. coli BL21
(DE3) se empleó como una cepa bacteriana del
sensor; el promotor/operador de cad, el gen cadC
y gfp. La concentración detectable más baja del
biosensor a 37 °C fue 1 mmol/L, disminuyendo
a 1 μmol/L a 25 °C y 10 nmol/L a 15 °C. Una
de las ventajas de este biosensor es la mejora de
la sensibilidad a baja temperatura, así como la
respuesta selectiva y dependiente de la dosis de
Cd
2+
.
Paralelamente, el desarrollo de bioinformadores
para la detección de cromato, se basan en la
expresión de gfp bajo el control del promotor chr
y el gen regulador chrB. E. coli y O. tritici fueron
diseñados para emitir uorescencia en presencia
de Cr
6+
. El biosensor de E. coli demostró ser
especíco y sensible, su rango de detección fue
de 0,1 µM a 50 µM y la máxima uorescencia
se alcanzó a las 5 horas. En O. tritici el rango de
detección fue de 1 µM a >50 µM, en este rango
se dio la saturación de la señal de uorescencia.
Los 2 biosensores resultaron ser especícos y
proporcionan utilidad en campo (83).
La tabla 2 detalla los microorganismos o plantas
transgénicas que expresan determinantes de
resistencia.
Planta o
microorganismos
modicado
Gen
bacteriano Nivel de resistencia Referencia
P. putida KT2440 arsM 10 mM As
3+
(72)
Escherichia coli BL21
(DE3). chrB 100 µM Cr
6+
(85)
A. thaliana merT 10 mmol/L HgCl
2
(86)
A. thaliana y
Nicotiana. tabacum merAB
10,000 µg/kg HgCl
2
100 µg/kg CH
3
HgCl (84)
Oryza sativa
y Solanum
lycopersicum merAB
4000 µg/kg HgCl
2
4000 µg/kg CH
3
HgCl (84)
Tabla 2. Plantas y bacterias que expresan genes de resistencia a metales
La comprensión de los determinantes genéticos
y las funciones que codican ha facilitado la
bioingeniería de células y plantas (33). Chen
et al. (72) diseñaron genéticamente P. putida
KT2440 con expresión estable de arsM-gfp. La
cepa creció a concentraciones de As
3+
de hasta 10
mM a diferencia de los controles, además, mostró
una alta actividad de metilación y volatilización
cuando se expuso a As
3+
o As
5+
25 μM, después
de 48 h, la mayor parte del arsénico fue metilado
al ácido dimetilarsínico (DMA
5+
), ácido
monometilarsónico (MA
5+
) y gas trimetilarsina
(TMA
5+
). Esta capacidad de resistir al As
3+
, la
hace una candidata para la remediación in situ
33
de suelos contaminados.
Zhou etal. (85) construyeron cepas de E. coli BL21
(DE3) que expresan el gen chrB de O. tritici 5bvl1.
La expresión de chrB la realizaron intracelular
y en supercie y compararon la capacidad de
adsorción de Cr
6+
. Un nivel bajo de Cr
6+
(<10 µM)
en el medio, no inhibió el crecimiento de ninguna
de las cepas. A concentraciones mayores a 100
µM Cr
6+
, las células que expresan ChrB eran más
resistentes a la toxicidad que las células control.
ChrB expuesto en supercie eliminó el 99,1% del
Cr
6+
total (concentración inicial 0,5 mM) en 2 h.
La capacidad máxima de adsorción de células de
E. coli BL21 que expresan chrB intracelular fue
de 235 µmol/g de peso seco de Cr
6+
.
Xu et al. (86) generaron plantas de A. thaliana
que expresan el gen merT de Pseudomonas
alcaligenes. A. thaliana mejora la formación de la
raíz bajo 10 mmol/L de HgCl
2
; después de 5 días
de estrés los controles mostraron disminución
del contenido de clorola, en contraste con las
plantas que expresan merT (18,65% y 22,43%).
Se evidenció menor contenido de sustancias
reactivas al ácido tiobarbitúrico (TBARS) y de
ROS.
Las plantas no poseen la capacidad de
desintoxicar el CH
3
Hg, por tal razón, varias
investigaciones se han enfocado en generar
plantas que expresen el gen merB conriéndoles
la capacidad de desintoxicar por sí mismas
este elemento (60). Li et al. (84) expresaron los
genes merAB en A. thaliana, N. tabacum, O.
satyva y S. lycopersicum. Demostraron que N.
tabacum y A. thaliana transgénicas muestran
resistencia a 10.000 µg/kg de HgCl
2
y 100 µg/kg
de CH
3
HgCl. El crecimiento de S. lycopersicum
y O. satyva se inhibió a 4000 µg/kg de mercurio.
Las plantas transgénicas redujeron 4 veces más
la concentración de mercurio a diferencia de los
controles. La expresión de estos genes permite la
construcción de plantas útiles para procesos de
torremediación.
IV. CONCLUSIONES
Los determinantes genéticos de resistencia a
metales pesados principalmente para el arsénico,
mercurio, cromo y cadmio son ars, mer, chr,
cad, czc respectivamente. Estos se encuentran
distribuidos en el genoma de una amplia gama
de bacterias aisladas de entornos altamente
contaminados; en estos sitios se ha identicado
genes de resistencia que muestran una gran
especicidad para los iones metálicos o sus
derivados orgánicos.
A lo largo de la revisión se ha resaltado los
mecanismos de acción llevados a cabo por los
genes reguladores como: arsR, merR, chrB,
cadC, cadR; del mismo modo, el mecanismo
de reducción, metilación, desmetilación, y
oxidación de los iones de metales pesados
llevados a cabo por merA, merB, arsA, arsI,
arsM y arsH. Existen bombas de eujo para el
mecanismo de expulsión de los metales cuando
ingresan a la célula tal es el caso de chrA, cadA
respectivamente para el cromato y el cadmio. En
el caso del mercurio hay una variedad de genes
cuyo mecanismo es el transporte del metal en su
estado orgánico e inorgánico merE, merT, merF,
merC cumplen esta función, del mismo modo,
para el arsénico existen dos determinantes para
el transporte arsB y acr3.
Dentro de las aplicaciones de los determinantes
genéticos se encuentran su uso para construcción
de biosensores mediante la fusión de los genes
reguladores como arsR, merR, cadC, chrB del
operón y genes reporteros como gfp o lux para
la detección de metales pesados, siendo un
método económico y ecaz en comparación con
los métodos tradicionales. Otra de las posibles
aplicaciones que se le otorga a los determinantes
de resistencia es en la generación de organismos
transgénicos que expresen genes de interés y
que puedan ser usados para la remediación de la
contaminación.
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