Los humanos, sin saberlo, han estado realizando experimentos de evolución durante milenios a través de la domesticación de plantas, animales y hongos. Comenzando con los experimentos seminales de William Dallinger a finales del siglo XIX ^th siglo, tales experimentos se han realizado en condiciones de laboratorio controladas para comprender mejor los procesos y las limitaciones de la evolución.

Los experimentos evolutivos generalmente implican imponer una presión selectiva bien definida (como una temperatura extrema, nutrientes limitados o la presencia de un compuesto tóxico) en un organismo y luego estudiar cómo se adapta a estas nuevas condiciones. El experimento de evolución controlada de mayor duración fue iniciado en 1998 por Richard Lenski y continúa hasta el día de hoy, involucrando a más de 60,000 generaciones de la bacteria Escherichia coli.

Si bien estos experimentos han brindado información fundamental sobre procesos evolutivos como la adaptación, la selección y la mutación, está claro que la evolución natural ocurre bajo restricciones mucho más complejas. Un nuevo estudio publicado en Genome Biology and Evolution arroja nueva luz sobre la forma en que la evolución de laboratorio puede diferir de lo que ocurre en la naturaleza.

Según la coautora Ruth Hershberg, profesora asociada del Technion-Israel Institute of Technology, sus "resultados muestran que la adaptación de laboratorio, que ocurre en respuesta a presiones bastante simples y fuertes, a menudo puede ocurrir a través de mutaciones que no pueden ocurrir en la naturaleza, o son muy transitorios, si es que ocurren".

El estudio, del cual fue coautor Technion Ph.D. estudiante Yasmin Cohen, trató de explicar una aparente paradoja notada por los autores al reflexionar sobre las mutaciones identificadas en sus propios experimentos de evolución con bacterias:a saber, que las proteínas en las que las mutaciones ocurren con mayor frecuencia en el laboratorio son las mismas que cambian más. lentamente a lo largo de largas escalas de tiempo evolutivas.

Para explorar más a fondo esta observación, Cohen y Hershberg observaron específicamente dos genes que codifican la enzima central de la ARN polimerasa (RNAPC), que demostraron estar involucrados en la adaptación dentro de muchos experimentos de evolución de laboratorio independientes en E. coli, la especie más comúnmente utilizada para estos tipos de experimentos.

Su estudio de la literatura identificó mutaciones adaptativas en 140 posiciones de aminoácidos en estas proteínas en respuesta a 12 condiciones de laboratorio diferentes, incluida la exposición a antibióticos, el agotamiento prolongado de recursos, el crecimiento a altas temperaturas y el crecimiento en medios (mínimos) bajos en nutrientes. Sorprendentemente, hubo muy poca superposición en estos sitios adaptativos, y solo cuatro de los 140 aparecieron bajo más de una condición.

Además, al comparar estos sitios con el resto de la secuencia de proteínas en los linajes bacterianos, los autores encontraron que la adaptación en el laboratorio no solo ocurre a través de mutaciones a proteínas altamente conservadas, sino que incluso dentro de las proteínas RNAPC, los sitios de aminoácidos comúnmente mutan. en experimentos de laboratorio tendía a estar más conservada en la naturaleza que otras posiciones dentro de estas proteínas.

Un análisis posterior identificó una serie de patrones intrigantes. Las posiciones en las que se produjo la adaptación en los experimentos de laboratorio también tendieron a caer dentro de dominios funcionales de proteínas definidos, a agruparse cerca unos de otros en la estructura de la proteína y a ubicarse cerca del sitio activo de RNAPC con más frecuencia que otros sitios.

Para ver si estaban en juego dinámicas similares para otras proteínas, Cohen y Hershberg observaron otras 19 proteínas que contenían mutaciones adaptativas asociadas con el agotamiento de recursos. Descubrieron que, al igual que con las proteínas RNAPC, los sitios asociados con la adaptación en los experimentos de laboratorio tendían a estar más conservados entre las bacterias.

Aún más interesante, al observar las cuatro presiones selectivas para las que había datos suficientes, estos patrones se mantuvieron para la exposición a antibióticos, medios mínimos y agotamiento prolongado de recursos, pero no para el crecimiento a altas temperaturas. Por lo tanto, las adaptaciones a altas temperaturas no exhiben una mayor conservación, no se agrupan cerca unas de otras o del sitio activo del complejo, y no se enriquecen dentro de los dominios funcionales.

Como señala Hershberg, no está claro qué tan común es este hallazgo. "Actualmente no podemos estar seguros de si las adaptaciones a la mayoría de las condiciones se comportan como la mayoría de las adaptaciones caracterizadas, siendo la temperatura alta un valor atípico, o si hay muchas condiciones sin datos actualmente disponibles que se asemejan más a lo que se ve para la temperatura alta".

Lo que está claro es que la dinámica de la adaptación de laboratorio difiere mucho de la de la adaptación natural. Esto se debe a que, como explican los autores, "en los experimentos de laboratorio, las bacterias generalmente están expuestas a presiones selectivas relativamente simples, fuertes y constantes. Las presiones selectivas que enfrentan en entornos más naturales probablemente sean mucho más complejas, con varios factores diferentes que ejercen presiones contradictorias". simultáneamente y/o con presiones selectivas que cambian con el tiempo. Las adaptaciones del tipo que surgen tan fácilmente durante la evolución del laboratorio pueden no ser tan fáciles de permitir dentro de los entornos naturales... Además, si tales adaptaciones ocurren en respuesta a un conjunto específico de condiciones, puede resultar altamente transitorio, disminuyendo rápidamente en frecuencia una vez que cambian las condiciones".

Para explorar más a fondo estas preguntas, Hershberg cree que será "importante tratar de averiguar qué hacen estas adaptaciones en el contexto en el que son adaptativas y medir sus efectos de aptitud en diversas condiciones... Centrarse en las adaptaciones de la enzima RNAPC podría ser un lugar útil para empezar". Es importante destacar que tales estudios podrían proporcionar una nueva visión de los mecanismos por los cuales ocurre la evolución, tanto en el laboratorio como en la naturaleza. Según Hershberg, "comprender las razones de estas diferencias puede permitirnos aprender lecciones importantes sobre la adaptación natural". + Explora más

Abundancia de mutaciones beneficiosas