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¿Estamos usando los modelos adecuados para estudiar evolución? diciembre 19, 2008

Posted by Manuel in biologia, ciencia, divulgación científica, evolucion, microbiologia.
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Charles Darwin en El Origen de las Especies utilizó el estudio de la domesticación de especies salvajes como ejemplo de selección artificial, por el que según él, se hacía una copia de los procesos que ocurren en la naturaleza. De esta forma hemos domesticado tanto animales como plantas para nuestro propio provecho. Un ejemplo indiscutible lo podemos observar en las variaciones que ha sufrido el maíz desde que fue utilizado por primera vez por los pobladores de América hasta nuestros días. Como se puede observar en la fotografía, los diferentes pobladores fueron seleccionando aquellas variedades de semillas de mayor tamaño que poseían, por tanto, mayor capacidad nutricional.
maiz
Estos agricultores, a diferencia de lo que hoy ocurre, no poseían ningún conocimiento de genética, y eran completamente ajenos a lo que es la variabilidad génica o lo que supone una mutación. Sin embargo estaban seleccionando mutantes mediante el filtro selectivo del tamaño de grano.

Otro ejemplo de domesticación ha ocurrido recientemente en los laboratorios donde se estudia microbiología. Las cepas con las que hoy trabajamos en los laboratorios han perdido muchas de las propiedades de poseían cuando vivían en el medio ambiente. Al igual que ocurre con los animales domesticados., muchas de estas bacterias no sobrevivirían a una liberación al medio. En nuestros laboratorios las hemos mantenido en medios de cultivo ricos, las hemos privado de sus depredadores y sus parásitos y hemos mantenido estables las condiciones de temperatura, salinidad o pH. En la naturaleza las bacterias, salvo raras excepciones, se encuentran en situación casi de ayuno, se enfrentan a situaciones de elevada fluctuación ambiental, existentes protozoos que las depredan o bacteriófagos que las infectan.

Una de las bacterias favoritas para el estudio de laboratorio es Escherichia coli, ya que crece rápidamente en medios sintéticos, y es fácilmente manipulable. Pero, ¿siempre ha sido así?. La verdad es que no, lo que ocurre es que ya nos encontramos con mucho del trabajo hecho. E. coli es una bacteria que puede vivir en el intestino de animales homeotermos, en suelos y en aguas. Pero si tomamos una cepa de vida libre, veremos como esa facilidad para crecer o de manipulación genética, no es tal. No ha sufrido la “domesticación” a la que durante años se han sometido otras cepas.

Cabe preguntarse, ¿es esto debido a variaciones génicas?. En estos momentos sí disponemos de las herramientas necesarias para poder contestar esta pregunta. Ya respuesta no puede ser más rotunda: SI. Las cepas crecidas en el laboratorio pierden gran cantidad de información, aquella relacionada con sobrevivir a situaciones de estrés o cargas metabólicas innecesarias. Así por ejemplo se ha observado que cepas de E. coli de vida libre que son capaces de crecer en compuestos aromáticos, pierden esta capacidad cuando crecen durante varias generaciones en medios ricos. La secuenciación del genoma de las cepas de vida libre muestra que los genes que codifican los enzimas necesarios en esos procesos catabólicos se encuentran rodeados por secuencias de inserción que permiten su movilidad por el genoma. Esa información puede perderse espontáneamente tras varios cultivos en medio rico. Ese tipo de elementos móviles, transposones, bacteriófagos lisógenos en el genoma, secuencias repetidas (REPs), regiones multirecombinantes, etc, son muy frecuentes en los genomas de los organismos de vida libre, lo que les dota de enorme plasticidad y variabilidad génica ante cambios ambientales, pero se pueden perder en condiciones de estabilidad del laboratorio.

Estas bacterias también pueden ganar nueva información. Por ejemplo existe un grupo de científicos que mantiene un cultivo de E. coli desde hace más de 30 años y ha observado la aparición de genes y capacidades metabólicas nuevas, como por ejemplo la de catabolizar el citrato, algo de lo que no era capaz ninguna E. coli descrita (de hecho se utiliza como criterio taxonómico de clasificación bioquímica en los test de API).

Pero después de lo indicado, ¿son un buen modelo las bacterias de laboratorio, crecidas en medios sintéticos, para estudiar evolución?. Pues quizás no. A la ventaja que supone la facilidad de su cultivo se contrapone en el otro platillo de la balanza, la pérdida de gran cantidad de información necesaria para evolucionar.

Un ejemplo muy clarificador lo supone el estudio de las bacterias residentes en el hábitat del río Tinto. Este es un sistema fluvial altamente contaminado con metales, incluyendo metales pesados. Los microorganismos han acidificado este ambiente hasta pH 2. En este ambiente la diversidad es escasa, especialmente entre los procariotas. Una de las bacterias que podemos encontrar en el río Tinto pertenece al género Acidiphilium, una bacteria acidófila, resistente a metales pesados y con la capacidad de reducir el Fe (III), tanto en presencia como en ausencia de oxígeno. Cuando esa bacteria es llevada al laboratorio se observa la rápida pérdida de varias de sus funciones, entre la que destaca por su valor biotecnológico, la producción de electricidad. Un análisis genético preliminar muestra que Acidiphilium posee un número elevado de plásmidos. Tanto el número, como el tamaño de los mismos varían tras unos pocos crecimientos en el laboratorio. Además el estudio de la secuencia de su genoma muestra una elevada plasticidad que viene determinada por alto número de secuencias de inserción, de secuencias repetidas, de transposones, de genes que codifican para transposasas, de un sistema complejo de modificación/restricción, de numeros bacteriofagos lisógenos… En resumen una elevada cantidad de elementos móviles en el genoma que intervienen directamente en la variabilidad génica y en la evolución de este organismo. Muchos de estos elementos se pierden por repetidos cultivos en el laboratorio, lo que limita su capacidad de adaptación evolutiva.

Es por ello, que en los últimos años se están realizando estudios a nivel de microcosmos. Estos sistemas son mucho más complejos ya que incorporan elementos del hábitat donde reside el microorganismo, tales como depredadores, otros microorganismos con los que establece consorcios (fundamental para la deriva génica), condiciones fluctuantes, limitaciones de nutrientes, etc. Pese a que estos estudios son mucho más complejos, ya que introducen un número importante de variables, permitirán hacer una mayor aproximación a los mecanismos moleculares que controlan los procesos de evolución.

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Comentarios

1. JACS - diciembre 19, 2008

Bendita sea la domesticada Escherichia coli que expresa mis proteínas recombinantes!

2. Manuel - diciembre 19, 2008

Pues sí, ya tenemos a E. coli comiendo de nuestra mano..

3. Cnidus - diciembre 19, 2008

Bueno, esto también es evolución, me recuerda al caso de las islas, los bichos si están muy cómodos van “perdiendo” carácteres que en otras circunstancias son imprescindibles… Y me acabo de acordar del Dodo.

Y por lo mismo, también se pierde versatilidad evolutiva.

Si esta claro, para ver evolución en acción hay que estresar a la criatura, ponerla contra las cuerdas (sin matarlas). He visto algún que otro trabajo muy bonito así 🙂

Y seguro que hay muchos más… (ojitos de cordero degollado pidiendo referencias) 😀

4. Gabriela - diciembre 19, 2008

Cierto JACS es un buen ejemplo las E coli competentes, a esas las manipulamos para que incorporen ADN y ahora te venden unas ya hechas que son super competentes, te dan una eficiencia impresionante en la clonación no??

5. JACS - diciembre 20, 2008

Así es, Gaby. Y por no hablar de las levaduras, otras grandes amigas que nos facilitan el trabajo en el lab (cuando no te contaminan los cultivos, claro, je, je).
Un abrazo

6. Manuel - diciembre 20, 2008

Hola Gaby y JACS, eso sería lo ideal, tener bacterias tan “domesticadas” como E. coli o eucariotas tan controlados como Saccharomyces. Algo así intentar C. Venter con su organismo de genoma mínimo para tenerlos como biofactoría.

Pero, más allá de la biotecnología, para poder entender cómo son los realmente los seres vivos y cómo éstos evolucionan tendremos que aproximarnos lo más posible a situaciones lo más similar posible a lo que opera en la naturaleza.

Cnidus, cuando tenga un rato te consigo algunas referencias de evolución en microcosmos.

Saludos


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