La Ciencia y sus Demonios

Estudian el hecho evolutivo en durante 40000 generaciones de bacterias. Un experimento que, hasta ahora, ha durado 21 años.

Hace 150 años que Darwin propuso los mecanismos mediante los cuales se produce la evolución de las especies. Pero ver a éstos en acción es complicado para unos seres, los humanos, que viven poco tiempo. Bajo nuestra perspectiva temporal la evolución de la vida animal en la Tierra se produce a un ritmo pavorosamente lento. Incluso desde la emergencia de los primeros organismos pluricelulares hasta la aparición del ser humano han pasado solamente unos 600 millones de años.

Si un humano tiene una esperanza de vida de 75 años y para que transcurran 40.000 generaciones, y que la evolución tenga un efecto significativo sobre el ser humano, habría que esperar 800.000 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 Escherichia coli esas 40000 generaciones necesitan de 21 años.

Un grupo de investigadores de Michigan State University han realizado, precisamente un experimento de este tipo. Han realizado un experimento evolutivo de 21 años de duración con E. coli. El resultado de este experimento no sólo demuestra el papel de la selección natural en la evolución, sino que puede dar lugar a nuevos avances en investigación médica según sus autores.

Richard Lenski y sus colaboradores documentan los procesos del experimento y su análisis en la revista Nature. El experimento comenzó en 1988 en cultivos bacterianos de E. coli, que son bacterias con un tiempo de duplicación de 20 minutos en condiciones óptimas, en experimentos genéticos. 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. Según Lenski ha sido maravilloso ser capaces de mostrar de manera precisa cómo la selección natural ha ido cambiando el genoma de estas bacterias a lo largo de miles de generaciones.

Mutaciones encontradas al secuenciar los genomas de bacterias en muestras tomadas entre las generaciones 2000 y 20000. El círculo más externo representa el genoma de muestras de la generación número 20000 con las mutaciones en un solo nucleótido génicas (negro) o intergénicas (violeta) o las mutaciones de tipo delección (rojo), inserción (verde), secuencias de inserción (IS) o inversiones entre citC y gat>. Las secuencias de inserción son elementos de transposición presentes en el genoma bacteriano. Los otros cuatro anillos, desde el exterior al interior, representan mutaciones en el genoma en las generaciones 15000, 10000, 5000 y 2000, respectivamente. El círculo más interno muestra una escala en megabases (Mb) del genoma.

De manera periódica estos investigadores tomaban muestras que congelaban para su estudio posterior en el que se secuenciaba su genoma. Pudieron ver que al cabo de 20.000 generaciones se habían producido sólo 45 mutaciones en las células supervivientes, aquellas mutaciones que precisamente daban una ventaja adaptativa, precisamente lo predicho por la teoría de Darwin. Este experimento es único a la hora de responder a cuestiones críticas, como aquellas acerca de la tasa de cambio en el genoma bacteriano. Según el investigador principal 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.

Velocidad de evolución del genoma y mejora del fitness. Los círculos azules muestran el número total de cambios en el genoma con respecto a su antecesor en la muestra tomada. La línea azul representa en el que las mutaciones se acumulan de forma uniforme a lo largo del tiempo. Las líneas curvadas azules definen el entorno con un 95% de confianza para el modelo lineal. Los cuadros verdes representa la mejora del fitness con respecto a su antecesor en el tiempo. La línea curva representa una línea hiperbólica-lineal que se ajusta a la trayectoria de puntos. Cada estudio del fitness es el resultado de la media de tres muestreos independientes. La gráfica interior de la esquina derecha muestra el número de mutaciones en el experimento de 40000 generaciones, y la curva de puntos representa los cambios en la velocidad de evolución del genoma después de la aparición de un fenotipo mutador alrededor de la generación 26500.

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.

Una habilidad que surgió evolutivamente en una de las poblaciones fue la capacidad de metabolizar un azúcar que E. coli normalmente no puede metabolizar. A partir de entonces toda la población terminó por adquirir y transmitir este nuevo rasgo. Según Jeffrey Barrick 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.

Miles de generaciones después las bacterias de este experimento siguen evolucionando y quizás nos digan más cosas en el futuro. Este experimento recuerda en algunos aspectos el que Gonn nos comentaba AQUÍ.

En este vídeo Lenski nos cuenta aspectos relacionados con el experimento:

Referencias:

Parte del texto ha sido tomado de un estupendo artículo de NeoFronteras

Otra parte del texto, así como las figuras corresponden al artículo original:

• Barrick, J.E., Yu, D.S, Yoon, S.H., Jeong, H., Oh, T.K., Schneider, D., Lenski, R.E., and Kim, J.F. (2009) Genome evolution and adaptation in a long-term experiment with Escherichia coli. Nature 461:1243-1247.

Entradas relaciondas:

• Islas genómicas y evolución bacteriana

• Endosimbiosis: Rhizobium, a medio camino de organelas celulares

• La escafoldina: la proteína más robusta conocida