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miércoles, 18 de noviembre de 2009

¡Hagán juego señores!

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Un problema para cualquier ser vivo es la adaptación a los cambios medioambientales. Cuanto más cambiante sea un medio ambiente, mucho más difícil es sobrevivir en él. Una solución es la evolución de mecanismos que permitan modular el fenotipo en respuesta a determinadas señales ambientales. Son los clásicos mecanismos adaptativos como el funcionamiento del operón lac. Si hay lactosa en el medio la bacteria produce enzimas para degradarla. Si no hay lactosa, no se producen dichas enzimas. Es decir, un cambio ambiental provoca una respuesta en el ser vivo consistente en una regulación de la expresión génica.

Pero si los cambios son muy numerosos o drásticos a veces no basta ese tipo de respuesta. Hay otra forma de intentar sobrevivir y es la llamada estrategia de "diversificación de apuestas" o bet-hedging. Formalmente se define como el intercambio estocástico de fenotipos. En palabras más llanas podríamos decir que es la estrategia de poner los huevos en diferentes cestas.





Esta estrategia es un tipo de adaptación evolutiva que se ha encontrado en muchas especies biológicas, desde bacterias a humanos. Sin embargo no había evidencia científica del origen de dicha adaptación. Lo que ha conseguido un grupo liderado por el investigador Paul B. Rainey del New Zealand Institute for Advanced Study es observar como evoluciona de novo esta estrategia en poblaciones bacterianas experimentales. Su trabajo ha merecido ser portada de la revista Nature.






Pseudomonas fluorescens es utilizada en los experimentos evolutivos por la siguiente razón: podemas asociar un determinado fenotipo a un nicho ecológico específico. Las Pseudomonas necesitan oxígeno para vivir. Si realizamos un experimento al estilo de los de Richard Lenski, inoculando la bacteria en un matraz sin agitación al cabo del tiempo se selecciona un tipo de mutante que forma un biofilm en la superficie del matraz. Esas bacterias lo que hacen es generar un polisacárido extracelular que les permite flotar y por lo tanto respirar. Sin embargo, si dicho mutante lo inoculamos en un matraz con agitación, entonces tiene una desventaja con respecto a las bacterias que no generan el polisacarido. El mutante necesita gastar energía en generar el polisacárido y por lo tanto crece más lentamente. Resumiendo, cuando agitamos el tubo favorecemos a las bacterias que no produzcan polisacárido. Cuando dejamos reposar el tubo, favorecemos a las bacterias que lo sintetizan. De una manera tan sencilla podemos tener dos nichos ecológicos en un mismo medio ambiente.





Evolución con Pseudomonas fluorescens. A la derecha tenemos un cultivo de la cepa ancestral. A la izquierda una cepa mutante que desarrolla un biofilm en superficie y está mejor adaptada a crecer cuando no hay agitación en el medio. Fuente bibliográfica



El grupo de Rainey realizó el siguiente experimento. Se tomó un cultivo de P. fluorescens que sería el "cultivo ancestral" y se dividió en doce subcultivos líquidos que se mantuvieron en reposo. Periódicamente se tomaba un alícuota de los cultivos y se extendía sobre medio sólido para comprobar si aparecía un nuevo tipo de morfología colonial diferente al aspecto de las colonias la bacteria ancestral. En cuanto aparecía, se utilizaba ese mutante para inocular un nuevo tubo con medio líquido, pero esta vez se ponía en agitación. Durante esa ronda de nuevo se volvía a comprobar si aparecía una nueva morfología colonial. Cuando aparecía se usaba como inóculo de una nueva ronda pero ahora se volvía a incubar sin agitación. Si no aparecían nuevas morfologías el cultivo no pasaba a la siguiente ronda. Este proceso de inoculación de rondas en las que se alternaba incubación estática y agitación se repitió hasta 16 veces. Como control se utilizó a la cepa ancestral pero propagando siempre colonias que no cambiaban su morfología con respecto a la ancestral y siempre en matraces con agitación.




Experimento para provocar la evolución de la "diversificación de apuestas". Fuente: Nature


Este experimento impone dos condiciones de selección. En primer lugar las bacterias seleccionadas debían crecer óptimamente con agitación o sin ella. Pero es que además se seleccionaba la aparición de bacterias que generasen nuevas morfologías coloniales frente a aquellas que no lo hicieran. Es decir, había una presión de selección para que evolucionara un genotipo capaz de intercambiar la morfología colonial de forma rápida y al azar. Es lo que los autores han denominado colony switching. De los doce cultivos, sólo en dos de ellos apareció este tipo de fenotipo.



Fenotipo "bet-hedging". En la foto de arriba podemos ver una colonia translucida a la izquierda, otra opaca a la derecha y enmedio una con sectores. En la foto de abajo pueden observarse células con cápsula por el halo claro alrededor y sin cápsula. Fuente: Nature


Cuando se observaron al microscopio encontraron que los cultivos estaban compuestos por una mezcla de células que presentaban cápsula y otras sin ella. Al plaquear en medio sólido se observaban dos tipos de colonias: translúcidas y opacas. Pero también se observaban colonias con sectores opacos y translúcidos. Es decir, el nuevo genotipo permitía el intercambiar fenotipo capsulado y no capsulado. El siguiente paso fue comparar el genoma de estos mutantes con el genoma de la bacteria ancestral. Han encontrado 8 cambios, pero el fenotipo colony switching parece causado por una mutación en el gen carB. La mutación es un cambio de la arginina 674 por cisteína dentro de la secuencia de la proteína Carbamoilfosfato sintetasa, una enzima esencial en la biosíntesis de la arginina y de las pirimidinas. El mecanismo de todas formas debe de implicar alguna causa epigenética porque las células capsuladas y no capsuladas contienen el mismo gen mutante carB. Los autores también especulan sobre la posibilidad de que este tipo de mecanismo podría ser una solución evolutiva anterior al desarrollo de mecanismos reguladores de expresión génica que respondan a cambios ambientales.





Historia natural de la aparición del genotipo "bet-hedging". En la parte de abajo se muestran las diferentes cepas que van apareciendo. En las ordenadas las mutaciones que fueron apareciendo. La cepa ancestral es la 1A0 y la cepa cone l genotipo "bet-hedging" es la 1B4. Fuente: Nature

En cierta forma esto se parece al comportamiento de los inversores de bolsa. Un inversor que no aplicase la "diversificación de apuestas" pone todo su capital en una sola empresa. Si la empresa gana, el inversor gana mucho. Pero si la empresa pierde, lo pierde todo. Un inversor que aplica la "diversificación de apuesta" lo que hace es invertir parte de su capital en una empresa y otra parte en la empresa de la competencia. Siempre ganará, aunque menos cantidad que el que lo arriesga todo. La ventaja es que nunca pierde. Y es que en la carrera evolutiva a largo plazo es mejor ganar poco y no perder nunca, a ganar muchísimo y poder perderlo todo.




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