Esta imagen es una representación simplificada del panorama clásico del fitness. Si se produce una mutación, el organismo normalmente caerá desde la parte superior del pico a la zanja, perdiendo aptitud y probablemente no sobreviviendo ni reproduciéndose. Crédito:OIST
Lo que fundamentalmente diferencia a un ser humano de cualquier otra criatura viviente se reduce a las diferencias en las secuencias de ADN, un conjunto de moléculas heredadas genéticamente que se encuentran en cada célula de cada organismo. Estas diferencias se han acumulado durante millones de años, principalmente a través de mutaciones aleatorias, básicamente errores en la forma en que se copió el ADN. La mayoría de estas mutaciones tienen un impacto negativo en el organismo y probablemente provocarán su muerte antes de que tenga la oportunidad de reproducirse. Sin embargo, algunos tendrán un impacto positivo o neutral en el organismo y se propagarán entre la población. Estos errores en las secuencias de ADN han resultado en la diversidad de vida que vemos hoy en día en todo el mundo. Pero muchos aspectos de cómo estas mutaciones pueden aumentar la aptitud física siguen sin comprenderse bien.
"Hemos logrado mostrar experimentalmente, por primera vez, un concepto sobre mutación y evolución que anteriormente solo se había predicado teóricamente", dijo el profesor Yohei Yokobayashi, quien dirige la Unidad de Ingeniería y Química de Ácidos Nucleicos en el Instituto de Ciencias de Okinawa. y la Universidad de Graduados en Tecnología (OIST). "Se llama una red neutral y se cree que es vital para aumentar la diversidad en una población". Esta investigación fue publicada en Nature Communications .
Los genes, formados por pares de bases de ADN, contienen las instrucciones necesarias para crear proteínas y conducen al cuidado y mantenimiento adecuados de una célula. Para que se lleven a cabo las instrucciones, primero se debe transcribir el ADN en ARN. Por lo tanto, el ARN es como un reflejo del ADN.
Hay cuatro pares de bases estándar para el ARN y el ADN. Para el ARN, estos son A, G, C y U. El Prof. Yokobayashi explicó el concepto de una red neutral dando un ejemplo de una secuencia simplificada de bases de ARN.
"Digamos, la secuencia de ARN AAAAAAA muta a AAAUAAA, que luego muta a GAAUAAA. La primera variante está conectada a la segunda, que está conectada a la tercera por una sola mutación. Si estas mutaciones mantienen la misma aptitud, el organismo podría sobrevivir, y la mutación podría ser heredada por generaciones futuras. Esto aumenta la diversidad general, y la diversidad es esencial para que una especie se adapte a los cambios en el medio ambiente".
Esta imagen es una representación simplificada de un panorama de fitness cuando hay una red neutral. Cuando hay una mutación, la aptitud se mantiene. Crédito:OIST
Una red neutral es una serie completa de secuencias de bases como esta (aunque mucho más larga), donde cada nueva secuencia, que difiere solo en una base, tiene aproximadamente la misma aptitud que la anterior y la posterior. Los científicos han sospechado su existencia durante algún tiempo, pero son muy difíciles de probar experimentalmente. Originalmente se predijo que todos los espacios de secuencias de ARN deberían tener la posibilidad de albergar una gran red neutral, pero nadie ha encontrado nunca estas redes neutrales a gran escala en la práctica.
En este estudio, los investigadores observaron un tipo de ARN llamado ribozima ligasa, que se había sintetizado previamente pero no se sabía que constituía una red neutral. Eligieron esta ribozima porque su función es conectar o ligar dos piezas de ARN. Este papel tiene implicaciones importantes para el origen de la vida, ya que es vital para la autorreplicación.
Toda la ribozima tiene alrededor de 80 pares de bases, pero los investigadores se centraron en un área de 35 pares de bases que es importante para la función de la ribozima y, por lo tanto, para medir su aptitud general.
A través del diseño de secuencias computacionales con la ayuda de un algoritmo evolutivo y aprendizaje profundo, los científicos diseñaron muchos mutantes de esta ribozima y determinaron experimentalmente su aptitud. Terminaron probando más de 120 000 variantes y pudieron aumentar la fracción de variantes neutras en la población diseñada de alrededor del 10 % a casi el 90 %.
Luego eligieron una de las variantes que habían identificado. Esta difería de la ribozima original en 16 mutaciones. Examinaron todos los diferentes caminos que podrían haberse tomado para pasar de la ribozima original a la nueva variante, una mutación a la vez durante 16 pasos, y encontraron 65 536 variantes diferentes, de las cuales el 60 % eran funcionales.
Las mutaciones deben mantener un nivel de aptitud similar en comparación con el anterior y el posterior para que aumente la diversidad. Si la mutación afecta negativamente a la variante, no se podrá acceder al camino para llegar a otras variantes. La imagen de arriba muestra una secuencia corta y las mutaciones que surgen de ella. Como se puede ver, las mutaciones mantienen el mismo nivel de aptitud que la anterior y continúan formando nuevos mutantes, o tienen un nivel de aptitud más bajo y se extinguen. Tenga en cuenta que la secuencia es solo un ejemplo y no se relaciona específicamente con esta investigación. Crédito:OIST
Luego, los investigadores observaron las rutas que solo contenían mutaciones funcionales y descubrieron que el 10 % de las rutas eran accesibles.
"Esto es bastante alto", dijo Ph.D. candidato y primer autor, Rachapun Rotrattanadumrong. "Otro trabajo experimental nunca ha encontrado una cantidad tan grande de vías accesibles entre dos variantes".
Los investigadores enfatizaron que esta evidencia experimental de una red neutral ha demostrado que es posible que se formen redes neutrales en un espacio de secuencia de ARN, aunque no tan extensamente como el trabajo teórico les haría creer. Otra pregunta interesante puede implicar ver qué propiedades se necesitan para que se forme este tipo de red.
"Este trabajo permitirá que las personas prueben experimentalmente muchas hipótesis", continuó Rotrattanadumrong. "Hemos proporcionado el primer conjunto de datos experimentales de una red neutral. Permitirá a los investigadores responder preguntas sobre cómo evolucionó y continúa evolucionando el ARN". Probando la función del ARN con 10 000 mutantes
