Evolución genómica y adaptación

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El profesor Richard Lenski

Hace un tiempo se comentó en este blog el famoso experimento de Richard Lenski para observar la evolución de un ser vivo en tiempo real. En el último número de la revista Nature aparece un nuevo resultado de tan interesante experimento.

Esta vez han secuenciado y comparado los genomas de las diferentes generaciones de la bacteria Escherichia coli que han sido congeladas periódicamente a lo largo de los veinte años que ya dura el experimento. De esa forma esperan medir con precisión como la Selección Natural ha ido cambiado paso a paso los genomas de esas bacterias. Por ahora llevan 40.000 generaciones. Es como si comparáramos el genoma de un ser humano actual con el de un Homo antecessor. Evidentemente habrá cambios entre ambos. Lo interesante es determinar la relación entre la velocidad de evolución genómica y las adaptaciones (fitness) que aparecen en los organismos. Siguiendo con el ejemplo del H. antecessor, imaginémonos que pudieramos ver los cambios genéticos responsables de que nosotros ya no tengamos el aspecto simiesco de nuestros antepasados.

En el experimento de Lenski, doce poblaciones independientes de la bacteria E. coli se crecen en un medio con pocos nutrientes denominado medio DM. Lo primero que vieron fue que la velocidad de adaptación era bastante rápida al inicio del experimento. En menos de 2.000 generaciones las bacterias se adaptaron al medio DM pues se habían hecho más grandes y se dividían más rápidamente que la cepa original. Sin embargo esa adaptación pareció estancarse pasado un tiempo ya que el medio ambiente es constante. Pero cuando los investigadores observaron los cambios genómicos encontraron algo llamativo. Durante 20.000 generaciones los cambios genómicos habían sucedido a una velocidad constante, aunque esos cambios no se manifestaban en el fenotipo de la bacteria y por eso los investigadores no eran capaces de detectarlos.

Se considera que los cambios genéticos que suceden de manera regular es algo típico de la evolución neutralista. Pongamos un ejemplo. Una mutación no neutralista es aquella que cambia el fenotipo del ser vivo, sea para bien o para mal. Así, si en un gen el codon UUA que codifica para el aminoácido leucina cambia a UAA tendremos un codon stop, y en lugar de una proteína activa acabaremos con una proteína truncada. Pero si ese cambio es a la secuencia UUG, seguiremos con una proteína activa porque ese codon codifica para leucina. Según la teoría de la Selección Natural, las mutaciones que perviven en una población suelen ser las beneficiosas. Las que son perjudiciales desaparecen. Pero las neutrales también permanecen porque al no ser perjudiciales, la Selección Natural no actúa sobre ellas.

Gráfica que muestra la velocidad de los cambios en el genoma (círculos azules) y de los cambios adaptativos, o fitness, (cuadrados verdes) de una población con respecto a su ancestro. La línea azul representa el resultado esperable en modelo en el cual las mutaciones se acumulan uniformemente en el tiempo. La linea verde en cambio es una curva hiperbólica a la que mejor se ajustan los resultados obtenidos. La gráfica pequeña muestra el número de mutaciones en el clon correspondiente a las 40.000 generaciones. (Fuente: Barrick et al. Nature)

Hasta las 20.000 generaciones se habían producido un total de 45 mutaciones. Pero se han encontrado con algo que el propio Lenski ha definido como "inesperado y complejo". Una de las poblaciones estudiadas sufrió un peculiar cambio después de las 20.000 generaciones que permitió que se incrementara su velocidad de mutación. Esto provocó que se acumulasen numerosas mutaciones en el genoma. Es lo que se conoce como fenotipo hipermutable. Se acumularon 653 mutaciones al llegar a las 40.000 generaciones. Como el medio ambiente es constante, la mayor parte de las nuevas mutaciones son de carácter neutral, pero también comenzaron a notar un incremento de las mutaciones beneficiosas. En palabras de Dominique Schneider, uno de los autores del artículo, los nuevos datos destacan de manera muy hermosa la sucesión de eventos mutacionales que permiten a estos organismos alcanzar una mayor eficiencia en su ambiente.

Es decir, la evolución adaptativa y la evolución genómica no van al mismo ritmo, incluso en un ambiente constante. Si esto ocurre en un sistema experimental tan sencillo no es de extrañar el que los autores prevengan sobre llegar a interpretaciones categóricas sobre velocidades evolutivas en la naturaleza sin un conocimiento específico de los procesos genéticos tanto a nivel molecular como de población.

Nada mejor para conmemorar el bicentenario de Darwin que un experimento como este.

Audio en "El podcast del microbio"

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