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El estudio se publica en ‘Science’

¿Cuántos cambios genéticos hacen falta para evolucionar?

Dos artículos publicados en Science analizan en sistemas microbianos los cambios genéticos que son necesarios para incorporar nuevos rasgos físicos ventajosos. En el primer experimento analizan la coevolución del virus bacteriófago lambda y su huésped habitual, la bacteria E. Coli, y en el segundo la respuesta de la E. Coli a cambios de temperatura.

Representación de la proteína lamB de la E. Coli. Imagen: Justin Meyer.
¿Cuántos cambios genéticos hacen falta para evolucionar?. Foto: Justin Meyer

Dos artículos publicados en Science analizan en sistemas microbianos los cambios genéticos que son necesarios para incorporar nuevos rasgos físicos ventajosos. En el primer experimento analizan la coevolución del virus bacteriófago lambda y su huésped habitual, la bacteria E. Coli, y en el segundo la respuesta de la E. Coli a cambios de temperatura.

“Bajo las condiciones adecuadas, los virus pueden desarrollar nuevas funciones rápida y repetidamente. La manera en la que su huésped evoluciona con ellos determina qué rasgos se manifiestan”, asegura a SINC Justin Meyer, investigador de la Universidad del Estado de Michigan (EE UU) y autor de un artículo publicado en Science en el que examina las fuerzas evolutivas responsables de que emerja un nuevo rasgo en la especie.

Para ello, Meyer y su equipo hicieron un experimento con el virus que infecta a la E. coli (llamado bacteriófago lambda) y la propia bacteria. “Hemos investigado cómo el virus desarrolla una nueva habilidad que le permite infectar a su huésped a través de un receptor que los virus ancestrales no podían usar”, describen en el artículo.

Permitieron que el sistema microbiano evolucionara conjuntamente bajo las condiciones del laboratorio, y observaron que, tras cuatro mutaciones clave, el microorganismo desarrolló la capacidad de adherirse a un receptor bacteriano diferente. Dos de los cambios se repetían en todos los experimentos.

Los investigadores también comprobaron que la bacteria respondía con ciertas mutaciones a las variaciones del virus, de manera que la evolución del bacteriófago lambda depende de su huésped bacteriano.

Tan solo cuatro mutaciones genéticas

Los científicos regularon en el laboratorio determinadas condiciones que causaron que la bacteria huésped desarrollara resistencia al agente infeccioso, regulando el receptor OmpB, lo que ‘cerraba la puerta’ al virus.

En esas circunstancias, el microorganismo estaba forzado a encontrar una nueva vía de entrada: la proteína OmpF. “Los virus desarrollan muchas mutaciones para explotar un nuevo receptor. Todas la que encontramos en la secuenciación del genoma estaban en la proteína J, que es la llave para ‘entrar’ en su huésped”, relata Meyer.

Los investigadores replicaron el experimento y en 25 casos diferentes observaron que se había desarrollado la nueva función: podía entrar en la bacteria a través de un nuevo camino.

Aunque los virus habían llegado a esta habilidad siguiendo caminos diferentes, en todos los casos se había producido las mismas cuatro clases de mutaciones. “Por tanto, hacen falta cuatro variaciones para desenvolver la nueva habilidad”, afirma Meyer.

La selección natural en la innovación

El rol de la selección natural en el proceso de adaptación es muy importante, pero en el surgimiento de innovaciones clave está menos claro, ya que cuando la selección fija ciertas variantes que mejoran las funciones ya existentes, puede limitar a las poblaciones a llegar a sus máximos locales y evitar que descubran nuevas habilidades.

“La selección natural ayudó a fijar las mutaciones en la proteína de reconocimiento del huésped, lo que mejoró la capacidad del receptor original y preparó el camino para otras mutaciones que permiten la infección a través de un nuevo receptor”, aseguran los investigadores.

Tras este experimento, los investigadores aseguran: “El proceso de selección es importante para la evolución de una nueva función, aunque requiera muchas mutaciones”.

Segundo estudio

En el segundo experimento los investigadores expusieron 155 poblaciones de E. Coli a altas temperaturas y observaron qué modificaciones del genoma provocaba esta condición durante 2.000 generaciones. Identificaron 1.331 mutaciones, la mayoría de ellas en los genes y en los complejos proteicos, y también unos pocos en los nucleóticos.

“No podemos cuantificar la adaptación a las altas temperaturas como un rasgo, es un continuo en el que las cepas adaptadas responden mucho mejor a su entorno”, asegura a SINC Olivier Tenaillon, autor del estudio e investigador de la Universidad de California (EE UU).

“Hay un número ilimitado de rutas adaptativas en las mutaciones, pero solo unas pocas en las funciones”, explica Tenaillon. “Dos cepas que han evolucionado independientemente comparten casi todas las unidades funcionales sin que tengan las mismas mutaciones”.

A partir de estos resultados, los científicos aseguran que la interacción entre genes para una determinada característica –epistasia–, es un mecanismo fundamental de los organismos para adaptarse a su entorno.

Referencias bibliográficas

1. J.R. Meyer, J.E. Barrick, R.T. Quick, R.E. Lenski, J.S. Weitz. "Repeatability and Contingency in the Evolution of a Key Innovation in Phage Lambda". Science. 27 de enero de 2012

2. O. Tenaillon, A. Rodríguez-Verdugo, R.L. Gaut, P. McDonald, A.F. Bennett, A.D. Long, B.S. "The Molecular Diversity of Adaptive Convergence". Science. 27 de enero de 2012

Fuente: Science
Derechos: Creative Commons

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