Explican los procesos genéticos necesarios que se dieron en un experimento evolutivo que ya dura 24 años.
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Es complicado para los humanos poder ver en directo los mecanismos mediante los cuales se produce la evolución de las especies complejas, pues no vivimos mucho.
Desde la emergencia de los primeros organismos pluricelulares hasta la aparición del ser humano han pasado solamente unos 600 millones de años. La sustitución de unas especies por otras, las extinciones masivas o la conquista de la tierra firme se dieron en ese periodo de tiempo, pero nos cuesta imaginar la escala de tiempo implicada.
Si un humano tiene una esperanza de vida de 75 años, para que transcurran 56.000 generaciones, y que la evolución tenga un efecto significativo sobre el ser humano, habría que esperar 1.200.000 años. Demasiado tiempo para unos simples mortales.
Pero si en lugar de seres humanos u otros seres complejos utilizamos seres cuyas generaciones se den a un ritmo más rápido quizás se pueda ver la evolución en marcha. En el caso de la bacteria E. coli esas 56000 generaciones necesitan de 24 años. Esto es precisamente lo que hasta ahora ha hecho un grupo de investigadores de Michigan State University: un experimento evolutivo con E. coli que hasta ahora ha tenido 24 años de duración.
Hace tres años relatamos en estas mismas páginas una noticia [1] sobre este mismo experimento cuando ya habían transcurrido 40.000 generaciones. Ahora, este grupo vuelve a publicar nuevos resultados sobre este interesante experimento.
El experimento comenzó en 1988 en cultivos bacterianos de E. coli, que son bacterias de rápida reproducción y clásicas en experimentos genéticos. De manera periódica (cada 500 generaciones) estos investigadores toman muestras que congelaban para su estudio posterior. Esto les proporciona un registro temporal que siempre pueden consultar. Las muestras pueden ser analizadas para así secuencias el genoma de las bacterias y ver los cambios producidos en el ADN.
Supusieron que si alguna mutación daba a algunas células una ventaja competitiva sobre el resto a la hora de hacerse con los nutrientes, tarde o temprano éstas debían de dominar sobre el resto.
Aunque hay muchas pruebas que demuestran los mecanismos darwinistas de la evolución, nunca se ha había hecho un estudio a este nivel de detalle. Este experimento es único a la hora de responder a cuestiones críticas, como aquellas acerca de la tasa de cambio en el genoma bacteriano, pues el acoplamiento entre genoma y evolución bajo la adaptación es complejo y puede ser contraintuitivo.
El genoma, según el experimento, evolucionaba a un ritmo sorprendentemente constante en la primera mitad del tiempo de estudio, incluso cuando la adaptación de las bacterias disminuía. Entonces una nueva de tasa de mutación apareció súbitamente y una nueva dinámica de relación entre el ambiente y el genoma se estableció.
Una mutación relacionada con el metabolismo del ADN apareció al cabo de 26000 generaciones, produciendo un aumento dramático de la tasa de mutación en todas las partes del genoma. El número de mutaciones saltó a partir de entonces, alcanzando las 653 mutaciones al llegar a la generación 40.000. Lo interesante es que la mayoría de estas mutaciones tardías no ayudaban a la hora de mejorar la adaptación de las bacterias.
Estas bacterias fueron cultivadas en una mezcla de glucosa y citrato, compuesto este último que normalmente no consumen en presencia de oxígeno. El citrato es una sal del ácido cítrico, ácido que, por ejemplo, se encuentra en los limones.
En el curso del experimento aparecieron los primeros ejemplares metabolizadores de citrato en condiciones aeróbicas y al cabo de un tiempo la población terminó por adquirir y transmitir este nuevo rasgo. Pero al cabo de unas generaciones las bacterias con este rasgo consiguieron realizar esta función muy bien. Estos investigadores querían saber cómo había aparecido y se había mejorado este rasgo.
Han descubierto que dicho rasgo evolucionó a través del reordenamiento y amplificación de genes preexistentes. Esto demostraría que los cambios graduales pueden producir innovaciones en el fenotipo.
Básicamente la bacteria ordinaria no expresa la proteína necesaria que permite metabolizar el citrato en presencia de oxígeno. Las primeras bacterias metabolizadoras de citrato aparecieron al cabo de 33.000 generaciones, pero estos investigadores han descubierto que las mutaciones importantes para dar este paso se dieron antes de ese momento.
Se puede hacer que aparezcan por evolución metabolizadores de citrato, pero sólo si antes algunas piezas del rompecabezas están en su lugar. Esto es precisamente lo que explican en su último artículo a través del análisis de 29 genomas de diferentes generaciones.
Para poder desarrollar esta habilidad se necesitaron tres mutaciones que se deben dar en orden específico. En un primer paso la bacteria acumuló al menos dos mutaciones que sentaron las bases para eventos posteriores. Esto se dio de manera independiente y reiteradamente en varias poblaciones de bacterias. En el segundo paso se produjo una actualización y permitió a la bacteria consumir citrato, pero de manera poco eficiente. En el estadio final de refinamiento, que necesitó varias mutaciones, se mejoró la función que ya había aparecido. La habilidad de consumir citrato se extendió entonces por la población convirtiéndose en dominante.
El paso más interesante parece ser el de la actualización, porque requirió de mutaciones complejas. Se necesitó reordenar parte de la secuencia de ADN bacteriano para crear un nuevo módulo regulatorio que no existía antes. Este nuevo módulo permitió la producción de la proteína que consigue traer al interior de la célula el citrato en presencia de oxígeno. Esta habilidad era totalmente novedosa.
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No se trató de una mutación simple en la que se cambiaba una base por otra, sino que partes del genoma fueron copiadas de tal modo que dos trozos de ADN se unieron juntos de una nueva manera. Uno de los trozos codificaba una proteína para poder meter el citrato en la célula y el otro permitía que esa proteína fuera expresada. Se puede decir que en este caso la evolución no ha inventado un gen nuevo, sino que ha reordenado y mejorado los mecanismos de regulación de un gen que ya poseía.
Además del interés en ciencia básica y como un argumento más en contra de los creacionistas, este estudio puede tener aplicaciones prácticas. Las mutaciones genéticas del ADN humano están relacionadas con algunos tipos de cáncer y su progreso es muy similar a un proceso evolutivo. De este modo todo lo que se pueda aprender de este experimento puede ser útil a la hora de comprender mejor el curso de este tipo de enfermedades. Otro aspecto interesante podría ser saber el tempo y evolución de determinadas cepas bacterianas perjudiciales para el ser humano y su relación con su tratamiento con antibióticos.
Las bacterias de este experimento siguen evolucionando miles de generaciones después y quizás nos digan más cosas en el futuro.
Copyleft: atribuir con enlace a http://neofronteras.com/?p=3922 [2]
Fuentes y referencias:
Nota de prensa. [3]
Nota de prensa. [4]
Artículo original [5]
Vídeos I (entrevista en inglés). [6]
Vídeos II (entrevista en inglés). [6]
Evolución en 40000 generaciones. [1]