Este artículo ofrece una introducción detallada a las células competentes junto con ilustraciones útiles. Aprende qué son las células competentes, cuál es la diferencia entre la competencia natural y artificial, cómo las células se vuelven competentes, cómo funcionan la electroporación y el tratamiento con cloruro de calcio, y mucho más.

¿Qué son las células competentes?

La competencia celular se refiere a la capacidad de una célula para absorber ADN extraño (extracelular) de su entorno circundante. El proceso de captación genética se conoce como transformación. En algunos casos, el material genético absorbido por una célula puede incorporarse o recombinarse en su propio genoma. Esta incorporación de material genético en el genoma del hospedador se denomina transferencia genética horizontal (HGT) o transferencia genética lateral.

Competencia vs. Transformación

Competencia – la capacidad de una célula para absorber ADN extracelular de su entorno.

Transformación – acción de una célula competente de absorber material genético.

La transferencia horizontal de genes (HGT) es más difícil en las células eucariotas que en las procariotas porque el material genético debe atravesar tanto la membrana celular como la membrana nuclear. Debido a que las células procariotas no tienen núcleos con membrana, el ADN puede integrarse dentro de un genoma bacteriano mucho más fácilmente.

La competencia natural y la transferencia de genes han facilitado muchas adaptaciones en células procariotas y eucariotas. Un ejemplo de tal adaptación es el alga roja eucariota Galdieria sulphuraria. La transferencia de genes a este organismo que vive en ambientes extremos provino de procariotas a través de HGT. Los genes transferidos condujeron a un metabolismo más versátil y la capacidad de detoxificar el mercurio y el arsénico.



¿Cuál es la diferencia entre células competentes naturales y artificiales?

Las células competentes pueden producirse de forma natural o las células pueden hacerse competentes artificialmente.


Competencia celular natural:

La competencia celular natural está determinada genéticamente, es decir, una bacteria está genéticamente predispuesta a tomar material genético libre (genéticamente competente) que existe en su entorno. La investigación ha demostrado que las células bacterianas competentes pueden tomar ADN de una variedad de fuentes; sin embargo, algunas bacterias muestran especificidad o preferencia por fragmentos de ADN que están sobrerrepresentados dentro de su genoma.

El ADN captado por una célula naturalmente competente no siempre se incorpora al genoma de la célula. A menudo, se utilizará un fragmento de ADN con fines nutricionales. Por ejemplo, el ADN proporciona a una célula una fuente muy necesaria de desoxirribonucleótidos para la replicación. La determinación de cómo se usa el ADN dentro de una célula depende generalmente de las necesidades de la célula. Otros factores incluyen el daño del ADN existente dentro de la célula y la capacidad de recombinación del ADN entrante.

Si bien una célula puede considerarse naturalmente competente, el estado de competencia no es necesariamente un estado constante. De hecho, la regulación natural de la competencia y la transformación es importante para proteger una célula. La regulación a menudo ocurre a través de señales ambientales y bioquímicas.

Por ejemplo, Streptococcus pneumoniae es una bacteria naturalmente competente; sin embargo, su competencia es impulsada por la detección de quórum, o la detección y respuesta a la densidad de población celular a través de la expresión génica. Para que se produzca la transformación natural, debe haber ADN de un donante presente en el medio ambiente. Un estudio determinó que cuando se cumplían las condiciones, el ADN del donante provenía de una "sub-fracción" de la población de S. pneumonia, mientras que la otra parte era competente, absorbiendo el ADN.


Competencia celular artificial (inducida)

Las células competentes artificiales o inducidas son células que los investigadores han hecho competentes mediante manipulación eléctrica (electroporación) o química. La competencia celular se ha convertido en una herramienta de investigación esencial para la clonación porque proporciona a los científicos un mecanismo para introducir nuevo material genético en una célula. Cuando pensamos en células competentes en un entorno de investigación, este es a menudo el tipo de competencia celular al que se hace referencia. Si bien hay muchas células competentes de origen natural, el organismo modelo E. coli no es naturalmente competente. Por lo tanto, para utilizar estas células para la clonación, los investigadores deben inducir la competencia.

e. coli no competente y e. coli competente ilustracion



Ya sea mediante electroporación o métodos químicos como el cloruro de calcio, el proceso de hacer células competentes crea poros temporales en la membrana de una célula para que el ADN pase a través de éstos. Recuerda, la competencia es la capacidad de una célula para absorber ADN extraño de su entorno, mientras que la transformación es el proceso real de absorción de ADN. Por lo tanto, para que un científico transforme una célula, primero debe hacer que esa célula sea competente. Esto se hace cambiando la célula de tal manera que permita al ADN viajar fácilmente a través de la membrana celular.



¿Qué hace exactamente qué una célula sea competente?

Dado que la competencia natural está determinada genéticamente, estas células están equipadas con maquinaria especial para facilitar la transformación natural y, a menudo, tienen señales bioquímicas y ambientales para regular la competencia.

En un entorno de laboratorio, generalmente con E. coli, la competencia de las células artificiales se hace posible mediante un proceso químico o mediante electroporación. Ambos métodos alteran la membrana celular, creando poros temporales que permiten que el ADN ingrese a la célula.



Tipos de células competentes artificialmente

Hay dos tipos de células artificialmente competentes: químicamente competentes y electrocompetentes.


Células químicamente competentes

Las células químicamente competentes son células que se hicieron competentes con un tratamiento con sal seguido de una etapa de choque térmico. Este proceso permeabiliza la membrana celular, permitiendo la entrada del plásmido. Los protocolos que utilizan CaCl2 o MgCl2 son los métodos más comunes para producir células químicamente competentes, pero algunos protocolos involucran otras sales o combinaciones de varias sales y productos químicos.


Lista de sales y químicos usados para producir células químicamente competentes

  • CaCl2: Neutraliza las cargas negativas de la bicapa de fosfolípidos y ADN.
  • DMSO: El DMSO se acumula en las cabezas hidrofílicas de la bicapa lipídica, debilitando las fuerzas. A medida que aumenta la concentración de DMSO, el grosor de la bicapa disminuye, lo que aumenta la permeabilidad de la membrana.
  • MgCl2: Funciona de la misma manera que el CaCl2, pero permite una mejor unión del ADN a la célula.
  • PEG: Protege las cargas negativas de la bicapa de fosfolípidos y el ADN.
  • RbCl: Funciona de la misma manera que CaCl2 y MgCl2. Algunos investigadores prefieren el RbCl cuando se requiere una mayor competencia.



¿Qué papel juegan el CaCl2 y el tratamiento de choque térmico en la producción de células competentes?

Al producir células químicamente competentes, el primer paso implica el uso de una sal, típicamente CaCl2 o MgCl2. El tratamiento con sal (químico) neutraliza las cargas negativas de las cabezas de fosfato y el ADN cargado negativamente. La neutralización de estas cargas elimina la repulsión natural, lo que permite que el ADN se mueva más cerca de la célula.

Tratamiento previo con CaCl2 y Tratamiento posterior con CaCl2 ilustracion

El paso de choque térmico implica enfriar y calentar rápidamente las células, lo que conduce a poros temporales que permiten que el ADN entre en la célula. El mecanismo detrás de cómo esto realmente funciona no se comprende bien. Un estudio sugiere que el paso de pulso de calor hace que E. coli libere lípidos de su superficie, lo que genera poros temporales que permiten la entrada del ADN en la célula.



Células electrocompetentes

Las células electrocompetentes se vuelven competentes utilizando un pulso eléctrico de un electroporador para crear poros temporales (poros) en la membrana celular de las células procariotas o eucariotas. El pulso eléctrico interrumpe la membrana celular, provocando un ligero realineamiento de la bicapa lipídica, lo que permite la entrada de material exógeno en la célula. Si bien el material exógeno puede ingresar a la célula debido al aumento de la permeabilidad, el material celular también se puede perder durante el proceso.

Los investigadores optan por utilizar la electroporación por muchas razones diferentes. Una mayor eficiencia de transformación de este método en comparación con otros métodos es una de las razones de la elección. Otra razón por la que los investigadores podrían usar la electroporación es para introducir otro material, como nuevos fármacos o sondas moleculares dentro de la célula.

¿Cómo funciona la electroporación?

La bicapa de fosfolípidos son cadenas duales de fosfolípidos (los fosfolípidos se componen de una cabeza hidrófila y una cola hidrófoba). Las cabezas hidrofílicas de la bicapa miran hacia afuera: una capa mira hacia el espacio extracelular, mientras que la otra capa mira hacia el líquido intracelular. Las colas hidrofóbicas se enfrentan entre sí hacia adentro, es decir, en la parte interna de la bicapa. Cuando se aplica voltaje de electroporación, el pulso eléctrico reordena la orientación de la bicapa de una manera que se forma un espacio. Consulta la siguiente ilustración.

membrane celular antes de la electroporacion y membrana celular despues de la electroporacion ilustracion




Diferencia entre electroporación reversible e irreversible

La electroporación reversible (RE) implica un voltaje de hasta 1 kV. Las células que se someten a electroporación reversible pueden sobrevivir a los efectos de la permeación de la membrana y recuperarse (la membrana celular puede volver a sellar después). Los biólogos moleculares utilizan esta técnica para permear temporalmente la membrana celular con el fin de introducir material molecular extraño, como el ADN, dentro de una célula.

La electroporación irreversible (IRE) implica hasta 3 kV de corriente continua. A diferencia de la electroporación reversible donde los nanoporos de la membrana son temporales, la electroporación irreversible crea poros permanentes que finalmente conduce a la apoptosis (muerte celular programada). Los investigadores han estado usando IRE para el tratamiento de tumores. Por lo tanto, IRE no es un método utilizado para la transformación y transfección molecular.

Para obtener más información sobre células competentes y la transformación, te invitamos a buscar los recursos que se encuentran en la página de células competentes de GoldBio en el siguiente enlace:

https://www.goldbio.com/collection/competent-cells



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Escrito por: Katherine Martin

Traducido por: Adriana Gallego, Ph.D.