Usando imágenes 3D detalladas, Los investigadores han demostrado cómo las bacterias han desarrollado motores moleculares de diferentes poderes para optimizar su natación.

El descubrimiento, por un equipo del Imperial College London, proporciona información sobre la evolución a escala molecular.

Las bacterias usan motores moleculares de solo decenas de nanómetros de ancho para hacer girar una cola (o 'flagelo') que las empuja a través de su hábitat. Como motores hechos por humanos, la estructura de estas máquinas a nanoescala determina su poder y la capacidad de natación de las bacterias.

Previamente, el equipo del Departamento de Ciencias de la Vida de Imperial examinó estos motores y descubrió un factor clave que determinaba la fuerza con la que podían nadar las bacterias. Como motores hechos por humanos, Los motores bacterianos tienen distintos componentes de "estator" y "rotor" que giran uno contra el otro.

El equipo descubrió que cuantas más estructuras de estator poseía el motor bacteriano, cuanto mayor sea su fuerza de giro, y más fuerte nadó la bacteria. A pesar de estas diferencias, El análisis de la secuencia de ADN muestra que los motores centrales están relacionados ancestralmente. Esto llevó a los científicos a cuestionar cómo la estructura y la diversidad de natación evolucionaron a partir del mismo diseño central.

Ahora, en una nueva investigación publicada hoy en la revista Informes científicos , los investigadores pudieron construir un "árbol genealógico" de motores bacterianos combinando imágenes en 3-D con análisis de ADN. Esto les permitió comprender cómo podrían haber sido los motores ancestrales, y cómo podrían haber evolucionado hasta convertirse en los motores sofisticados que se ven hoy en día.

El equipo encontró una clara diferencia entre los motores de las especies bacterianas primitivas y sofisticadas. Si bien muchas especies primitivas tenían alrededor de 12 estatores, las especies más sofisticadas tenían alrededor de 17 estatores. Esta, junto con el análisis de ADN, sugirió que los motores antiguos también pueden haber tenido solo 12 estatores.

Esta clara separación entre especies primitivas y sofisticadas representa un "salto cuántico" en la evolución, según los investigadores. Su estudio revela que el aumento en la capacidad de potencia del motor es probablemente el resultado de la fusión de estructuras existentes. Esto forma un andamio estructural para incorporar más estatores, que se combinan para impulsar la rotación con mayor fuerza.

El investigador principal, el Dr. Morgan Beeby, dijo:"Estamos acostumbrados a observar la evolución a escala de animales o plantas, como el cuello de la jirafa que se alarga lentamente con el tiempo para alcanzar alimentos que antes eran inaccesibles.

"Sin embargo, la evolución a escala molecular es mucho más radical. Es como una jirafa que tiene hijos con el cuello de repente un metro más largo ".

Para realizar el estudio, El equipo visualizó varios motores de diferentes especies de bacterias utilizando una variante de un método llamado microscopía de crioelección. cuyos pioneros fueron galardonados con el Premio Nobel de Química este año. El método consiste en congelar rápidamente los motores dentro de las células vivas. Una vez congelado, se pueden obtener imágenes desde todos los ángulos para crear una imagen tridimensional de cómo se ve el motor dentro de la celda.

Luego construyeron un 'árbol genealógico' de la especie utilizando un análisis de secuencia de ADN, que relacionan su habilidad para nadar y sus propiedades motoras. Descubrieron que las bacterias con 17 o más estatores, y sus familiares, tenían estructuras adicionales unidas a sus motores.

Los investigadores creen que estas estructuras adicionales se fusionaron en bacterias sofisticadas para proporcionar un andamio más grande para soportar más estatores.

Sin embargo, también dicen que esto probablemente no fue un evento único. Las estructuras adicionales parecen haber evolucionado muchas veces en diferentes especies de bacterias, utilizando diferentes bloques de construcción pero produciendo la misma funcionalidad.

Las mismas funciones que evolucionan independientemente en organismos completamente diferentes se han visto antes en los reinos animal y vegetal. Por ejemplo, insectos los murciélagos y las aves han desarrollado alas que son similares en función pero tienen orígenes completamente diferentes, los ojos han emergido varias veces, y hay buena evidencia de que los sistemas nerviosos también han evolucionado varias veces, con algunas criaturas que poseen sistemas extraños a diferencia de los cerebros y la médula espinal a los que estamos acostumbrados.

El Dr. Beeby dijo:"Los motores bacterianos son máquinas complejas, pero con estudios como este podemos ver cómo han evolucionado en distintos pasos. Es más, el 'salto' de 12 estatores a 17, mientras que una gran innovación, tiene un aspecto de 'inevitabilidad biológica' de la misma manera que las alas, ojos, o sistemas nerviosos en animales superiores:los precursores del alto torque han evolucionado varias veces, y uno de ellos terminó fusionándose para formar el andamio que describimos en nuestro trabajo ".

Añadió:"La evolución es un proceso creativo, a menudo basándose en variaciones sobre un tema. Constantemente está produciendo nuevas ideas moleculares, muchos de los cuales fallan, pero inevitablemente algunos se dan cuenta varias veces. Hemos visto esto en animales, y ahora también vemos este proceso en el mundo nanoscópico de la evolución molecular ".