Para hacer lo icónico, doble hélice retorcida que explica la diversidad de la vida, Las reglas de ADN especifican que G siempre se empareja con C, y A con T.

Pero, cuando todo se suma, la cantidad de contenido de G + C frente a A + T entre las especies no es un simple porcentaje fijo o, Proporción estándar de uno a uno.

Por ejemplo, dentro de los organismos unicelulares, la cantidad de contenido de G + C puede variar desde el 72 por ciento en una bacteria como Streptomyces coelicolor, mientras que el parásito protozoario que causa la malaria, Plasmondium falciparum, tiene tan solo el 20 por ciento.

En eucariotas unicelulares, la levadura contiene un 38 por ciento de contenido de G + C, plantas como el maíz tienen el 47 por ciento, y los humanos contienen alrededor del 41 por ciento.

La gran pregunta es ¿Por qué?

"Este ha sido uno de los problemas de larga data en la evolución del genoma, y los intentos anteriores de explicarlo han implicado un movimiento considerable del brazo, "dijo Michael Lynch, quien dirige un nuevo Centro de Mecanismos de Evolución en el Instituto de Biodiseño de la Universidad Estatal de Arizona.

¿Hay algo dentro de la naturaleza química del ADN mismo que favorece a un nucleótido sobre el otro? ¿O varía el sesgo de la presión de mutación? y de ser así, ¿Por qué sería esto diferente entre especies?

"En ausencia de observaciones clave sobre el proceso de mutación, ha habido una lucha para comprender cuál es el mecanismo, "dijo Lynch.

El grupo de Michael Lynch ahora ha demostrado experimentalmente que la composición de G + C generalmente está fuertemente favorecida, mientras que esto a menudo se opone a la presión mutacional de varias fuerzas en la dirección opuesta.

"De media, La selección natural o algún otro factor (posiblemente asociado con fuerzas de recombinación) favorece el contenido de G + C, independientemente de la clase de ADN, tamaño del genoma de una especie, o donde la especie se encuentra en el árbol evolutivo de la vida, "dijo Lynch.

El estudio fue publicado en la revista Ecología y evolución de la naturaleza .

Errar es universal

Impulsando la evolución son las mutaciones del ADN, errores en el genoma que se introducen y se transmiten a la siguiente generación, para que con el tiempo proporcionando el combustible para la invención de nuevas adaptaciones o rasgos.

Para llegar al meollo del asunto, los científicos querían una forma de cuantificar el espectro completo de mutaciones del ADN en el laboratorio en una amplia franja de especies.

Esto ahora se puede hacer gracias en parte a las nuevas tecnologías para hacer que la secuenciación del ADN sea más rápida y económica. Ha impulsado una edad de oro de la biología experimental evolutiva.

"Comenzamos con el conocimiento del espectro mutacional que ocurre a nivel del genoma en unas 40 especies examinadas en mi laboratorio, ", dijo Lynch." Puede utilizar esa información para calcular cuál sería la composición de GC en ausencia de selección. Y luego podemos comparar esta expectativa nula con el contenido real del genoma, la diferencia se debe a la selección ".

En un experimento de tour de force que es la encuesta más grande hasta la fecha, examinaron cada una de las mutaciones del ADN en diferentes especies, secuenciar miles de millones de bases químicas de ADN.

"Esto representó una carga de trabajo muy importante, esfuerzo y costo que fue necesario para probar diferentes modelos evolutivos con alto poder estadístico, "dijo Hongan Long, un investigador postdoctoral que dirigió los experimentos.

También aprovecharon un análisis de 25 conjuntos de datos actuales de mutaciones y 12 nuevos experimentos de acumulación de mutaciones (MA) (muchos de su propio laboratorio), incluidas las bacterias y una colección de organismos multicelulares, incluida la levadura, gusanos moscas de la fruta, chimpancés y humanos.

Durante cada experimento de MA, realizaron la secuenciación completa del genoma de aproximadamente 50 líneas bacterianas diferentes que habían pasado por graves, Cuellos de botella de una sola celda para miles de divisiones celulares.

"Este pasaje unicelular de cada línea actúa como un filtro, eliminar la capacidad de la selección natural para modificar la acumulación de todas las mutaciones, excepto las más graves y deletéreas, dándonos una visión efectivamente imparcial del proceso de mutación, "dijo Long.

Con cada generación midieron cuidadosamente la tasa de mutación, o cada vez que se cambia una sola letra de ADN.

Esto puede suceder de dos maneras:un solo par de bases de ADN G o C se convierte en la dirección A + T; o puede pasar lo contrario, con una base A o T que cambia en la dirección G + C.

Después de todo el procesamiento de números y datos, Surgió un patrón sorprendente entre el contenido de G + C y las expectativas basadas en mutaciones del ADN.

"Resulta, están correlacionados, "dijo Lynch .." La composición de G + C siempre es más alta de lo esperado, basado en la neutralidad. Eso nos dice que existe una selección generalizada. Entonces, la mutación impulsa el patrón general, pero la selección de G y C sobre A y T aumenta el contenido del genoma por encima de la expectativa mutacional neutra.

Esto parece ser una verdad casi universal ".

El final del principio

Ahora que han mostrado la correlación de composición de G + C, ha abierto la puerta a muchas más preguntas, y respuestas que siguen siendo esquivas.

"Una pregunta es, '¿Por qué el espectro de mutaciones cambia tan drásticamente entre especies?', preguntó Lynch. “Las especies no tienen el mismo espectro de mutaciones. Hay especies cuyos perfiles de mutación son más ricos en AT y otras más ricos en GC. Todavía no conocemos los mecanismos detrás de tal divergencia en el espectro mutacional ".

Pueden deberse a simples diferencias en química y biofísica.

Una fuerza general que puede ser relevante es la estabilidad del ADN, impulsado por la química de las letras del ADN. Las fuerzas que mantienen intacta la escalera del ADN se denominan enlaces de hidrógeno. G:Los pares C involucran tres enlaces de hidrógeno, mientras que, R:Los pares T involucran solo a dos.

"El pensamiento predominante es que más contenido de G:C se suma a la estabilidad del genoma, "dijo Lynch.

Otra posibilidad es durante la reproducción, cuando las hebras de ADN de cada padre se entrelazan para formar un óvulo fertilizado, pueden ocurrir desajustes en el emparejamiento de bases, lo que lleva a errores que las enzimas de corrección de pruebas de ADN deben corregir más adelante. Algunas veces, una G puede cambiarse a una A, o una T se convierte en una C, convertir genes durante este proceso de reparación de desajustes.

"Por lo general, se cree que está sesgado hacia G y C, "dijo Lynch.

Ahora, con su configuración experimental en su lugar, El equipo de Lynch está preparado para explorar más a fondo los mecanismos de evolución y las fuerzas fundamentales detrás de este gran misterio.