La evolución atrapada en un matráz

Imagen tomada de Experimental Evolution

Un grupo de investigadores de la Universidad del Estado de Michigan ha reportado, con lujo de detalle, el proceso del surgimiento de una innovación evolutiva en una población experimental de la bacteria Escherichia coli, a lo largo de un experimento que comenzó en 1988. 

Por más de veinte años, el grupo de trabajo ha propagado,  a partir de una cepa ancestral (REL606), 12 diferentes poblaciones de E. coli en un medio mínimo (con glucosa en baja concentración como única fuente de alimento) para que, sin variar las condiciones ambientales, cada una siguiera un camino evolutivo independiente. Después de unas 33, 000 generaciones, uno de los frascos (la población nombrada Ara-3) comenzó a verse más turbio que los demás, efecto que aumentó mientras pasaban las generaciones (cuando este estudio comenzó el experimenteo iba en las 40,000 generaciones), indicando que después de acabar con la glucosa, algunas bacterias eran capaces de aprovechar otro de los compuestos del medio como fuente de alimento. Se comprobó que dicho compuesto era el citrato (ácido cítrico), ingrediente que en el medio mínimo se encuentra en mayor concentración que la glucosa, y por ello las bacterias pudieron incrementar de esa forma su número poblacional. Esto es muy relevante, pues no se había observado que bajo condiciones aeróbicas (en presencia de oxígeno), E. coli fuera capaz de utilizar el citrato como alimento (de hecho esta es una de sus características distintivas de la especie). Las cepas de E. coli silvestres (fenotipo Cit-), a diferencia de estas nuevas mutantes (fenotipo Cit+), no logran aprovechar el citrato en presencia de oxígeno porque no pueden expresar la proteína que permite la absorción de éste hacia el interior celular. 

Debido a que cada 500 generaciones desde el inicio se tomaron muestras de los 12 frascos y se congelaron, el equipo de trabajo pudo hacer comparaciones entre individuos de tiempos diferentes de la población donde el fenotipo Cit+ surgió, facilitando la tarea de encontrar los pasos anteriores al desarrolo de la nueva función metabólica. Por medio de la secuenciación y comparación de varios genomas de diferentes tiempos, los científicos encontraron la base genética principal de dicha característica: una duplicación en una secuencia. Esta duplicación, hizo un rearreglo en el que un promotor quedó detrás de la secuencia que codifica para la proteína transportadora del citrato del medio al interior celular, causando que dicha proteína se expresara (sin la duplicación, el promotor se encuentra adelante de del gen de la proteína transportadora). 

Pero al comparar los genomas, los investigadores notaron que esta simple duplicación no era la única pieza del rompecabezas. No todas las bacterias en la población Ara-3 tenían dicha mutación, y hallaron evidencias de que la probabilidad de ocurrencia de la duplicación en cuestión era alta sólo si ciertas mutaciones surgían previamente. Esto quiere decir, que la duplicación por sí sola no hace que una cepa silvestre pueda asimilar óptimamente el citrato, sino que su genoma necesita tener un antecedente genético, con las mutaciones necesarias, para el desarrollo de la nueva característica. Esto lo comprobaron al introducir, por medio de plásmidos, la nueva secuencia duplicada en cepas de E. Coli del linaje Cit+ anteriores a las 33,000 generaciones y a la cepa ancestral REL606. Observaron que tanto REL606, como aquellas bacterias de las primeras generaciones del linaje Cit+, pudieron asimilar el citrato de una manera incipiente, y en cambio, aquellas del linaje Cit+ de generaciones más recientes, podían aprovecharlo de una mejor manera, aunque no óptima. 

Dichos resultados los llevaron formular un modelo de tres pasos para de evolución de esta nueva función en E. coli. El primero, es la potenciación, en la cual tienen que surgir al menos dos mutaciones espefíficas para desencadenar el desarrollo de la nueva función. El siguiente paso es la actualización, en el cual surge la capacidad de degradar el citrato (por medio de la duplicación), aunque apenas de manera moderada, por lo que surge una pequeña ventaja de las bacterias Cit+ respecto a Cit-. Y por último, el refinamiento, en el cual, la capacidad de asimilar el citrato se optimiza por medio de nuevas mutaciones que regulan la expresión de la proteína transportadora, dando una gran ventaja de competencia a los individuos Cit+ sobre los individuos Cit-. 

Sin duda, este es uno de los experimentos más importantes de los últimos años en el tema de evolución experimental. Evidenciaron a la Selección Natural actuando en un frasco en un laboratorio, y por medio de la comparación con individuos “congelados en el tiempo”, lograron dilucidar las bases genéticas de esta nueva característica en E. coli, formulando un modelo en el que los procesos epistáticos (la interacción por competencia de varios sitios del genoma que regulan la expresión de una característica) juegan un papel muy importante.

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Categories: Bacterias, E. coli, epistásis, Evolución, mutación, secuenciación de DNA