Sergei Maslov, profesor de bioingeniería y física en la Universidad de Illinois, ve un "universo en un grano de arena". Su investigación busca explorar ese universo enfocándose en la diversidad genómica de sus componentes:los millones de microbios que prosperan y se reproducen dentro de él.

El reciente estudio de Maslov, publicado en Genética , examinó la dinámica que gobierna esta diversidad modelando los efectos de varios factores diferentes sobre la evolución de la secuencia del genoma. Los coautores del estudio eran ex miembros del laboratorio de Maslov, Purushottam Dixit, ahora investigador postdoctoral en la Universidad de Columbia, y Tin Yau Pang, ahora investigador postdoctoral en la Universidad de Dusseldorf. Juntos, Dixit, Pang y Maslov, quien también es un Bliss Faculty Scholar y miembro del Instituto Carl R. Woese de Biología Genómica y del Centro Nacional de Aplicaciones de Supercomputación, Aclaró las condiciones que mantienen cohesiva a una especie bacteriana o la impulsan hacia la diversidad.

El origen del presente trabajo fue una interacción casual entre Maslov y su colega F. William Studier, un biólogo de renombre en el Laboratorio Nacional de Brookhaven. Studier y otros estaban explorando la secuencia del genoma de diferentes cepas de Escherichia coli y estaban intrigados por la observación de que algunas áreas del genoma variaban dramáticamente —más de lo esperado por casualidad— en el número de diferencias de secuencia entre las dos cepas.

Maslov se sintió atraído por el rompecabezas presentado por este hallazgo, y finalmente ayudó al grupo a concluir que regiones con secuencias muy diferentes podrían explicarse por recombinación, un mecanismo que permite a las células bacterianas obtener fragmentos de ADN de sus vecinas e incorporarlos a sus propios genomas.

"Soy una persona computacional, de modo que estoy realmente motivado no por un campo necesariamente por un interés en los problemas. Entonces, si es un acertijo, Me gusta romperlo si es posible ", Dijo Maslov. Incluso después de que se publicó el trabajo con Studier, Maslov siguió sintiéndose atraído por las preguntas planteadas por el hallazgo. "Queríamos entender cómo se forman las especies bacterianas y cuáles son las fuerzas que las mantienen coherentes".

Un físico de formación, Maslov plantea esta pregunta en términos de cosmología:en el universo de los microbios, ¿Cómo funciona la mutación? errores fortuitos en la secuencia del genoma que amplían la variación encontrada dentro de una cepa, comparar con la "fuerza gravitacional" vinculante de la recombinación? Él y sus coautores se propusieron responder a esta pregunta con la ayuda de la creciente base de datos pública de datos genómicos bacterianos.

"Inmediatamente después de un evento de recombinación, dos genomas bacterianos se vuelven idénticos para una parte de su secuencia genómica, lo que significa que, en cierto sentido, están más juntos. . . [pero] si tiene dos secuencias bacterianas que divergieron demasiado entre sí, simplemente pierden la capacidad de recombinarse entre sí, ", Dijo Maslov." Nuestro objetivo era tratar de comprender de manera más general el problema del mantenimiento de las especies bacterianas ".

Maslov y sus coautores desarrollaron un modelo computacional que capturó los elementos básicos de la evolución bacteriana:el nivel existente de diversidad genómica entre pares de individuos dentro de una población, la tasa de mutaciones al azar, y la capacidad de recombinación. El modelo cuantificó las relaciones entre todos estos factores, ya que influyen en la secuencia del genoma dentro de una población de bacterias. Los investigadores encontraron que el equilibrio entre estos factores crea una división bastante marcada entre dos estados distintos:metaestabilidad y divergencia.

"Los principales parámetros que resultan ser relevantes ... es la frecuencia con la que el organismo genómico particular se recombina con miembros de su propia especie, y el tamaño total de la población, entonces, dependiendo de esas dos variables, puede tener dos regímenes, o un régimen en el que la recombinación ocurre con suficiente frecuencia como para tener una especie coherente que permanece unida durante mucho tiempo, o tienes este régimen en el que se divide en subespecies, ", Dijo Maslov.

En otras palabras, Los eventos frecuentes de recombinación pueden mantener una población de bacterias en un estado metaestable. uno en el que es poco probable que ocurra la especiación, incluso en el transcurso de muchas generaciones. Una población más grande en la que la tasa de mutación puede superar los efectos homogeneizadores de la recombinación divergerá rápidamente. Pero Maslov enfatizó que durante una escala de tiempo lo suficientemente larga, la especiación es tan inevitable como la expansión del universo.

"Tarde o temprano habrá un extraño accidente, porque en el momento en que la distancia genética entre dos especies supera un cierto umbral, pierden efectivamente la capacidad de recombinarse, ", dijo." La nueva especie se formará, por lo que es más una cuestión de cuánto tiempo una entidad dada, que actualmente llamamos especie bacteriana, vivirá. "

Al dilucidar las características básicas de la especiación bacteriana, este trabajo aborda cuestiones fundamentales sobre la evolución y podría eventualmente contribuir a los esfuerzos para rastrear y prevenir el desarrollo de resistencia a los medicamentos o virulencia en patógenos causantes de enfermedades.