La naturaleza está llena de parásitos, organismos que florecen y proliferan a expensas de otra especie. Asombrosamente, estos mismos roles en competencia del parásito y el huésped se pueden encontrar en el mundo molecular microscópico de la célula. Un nuevo estudio realizado por dos investigadores de Illinois ha demostrado que los elementos dinámicos dentro del genoma humano interactúan entre sí de una manera que se asemeja mucho a los patrones observados en las poblaciones de depredadores y presas.

Los resultados, publicado en Cartas de revisión física por los físicos Chi Xue y Nigel Goldenfeld, son un paso importante hacia la comprensión de las complejas formas en que los genomas cambian a lo largo de la vida de los organismos individuales, y cómo evolucionan a lo largo de generaciones.

"Estos son genes que están activos y están editando el genoma en tiempo real en células vivas, y este es un comienzo para tratar de comprenderlos realmente con mucho más detalle de lo que se ha hecho antes, "dijo Goldenfeld, quien dirige el tema de investigación de Biocomplejidad en el Instituto Carl R. Woese de Biología Universal (IGB). "Esto nos está ayudando a comprender la evolución de la complejidad y la evolución de los genomas".

El estudio fue apoyado por el Centro de Física de Células Vivas, un Physics Frontiers Center en Illinois apoyado por la National Science Foundation, y el Instituto de Astrobiología de la NASA para Biología Universal en Illinois, que dirige Goldenfeld.

Goldenfeld y Xue se embarcaron en este trabajo debido a su interés en los transposones, pequeñas regiones de ADN que pueden moverse de una parte del genoma a otra durante la vida de una célula, una capacidad que les ha valido el nombre de "genes saltarines". Colectivamente, varios tipos de transposones constituyen casi la mitad del genoma humano. Cuando se mueven pueden crear mutaciones o alterar la actividad de un gen funcional; Por lo tanto, los transposones pueden crear nuevos perfiles genéticos en una población para que actúe la selección natural, de forma positiva o negativa.

Los investigadores de Illinois querían aprender más sobre cómo funciona la evolución en este nivel, el nivel de organismos completos, mirando el ecosistema metafórico del genoma humano. En esta vista, la estructura física del ADN que forma el genoma actúa como un entorno, en el que dos tipos de transposones, elementos nucleares intercalados largos (LINE) y elementos nucleares intercalados cortos (SINE), tener una relación competitiva entre sí. Para replicar, Los SINE roban la maquinaria molecular que los LINE usan para copiarse a sí mismos, algo así como un pájaro cuco engaña a otros pájaros para que críen a sus polluelos mientras abandonan los suyos.

Con la ayuda de Oleg Simakov, investigador del Instituto de Ciencia y Tecnología de Okinawa, Xue y Goldenfeld se centraron en la biología de los elementos L1 y los elementos Alu, respectivamente tipos comunes de LINE y SINE en el genoma humano.

Los investigadores adoptaron métodos de la física estadística moderna y modelaron matemáticamente la interacción entre los elementos Alu y L1 como un proceso estocástico, un proceso creado a partir de interacciones fortuitas. Este método se ha aplicado con éxito en ecología para describir las interacciones depredador-presa; Xue y Goldenfeld simularon los movimientos de los transposones dentro del genoma humano con el mismo método matemático. Sus modelos incluían una explicación detallada de cómo los elementos Alu roban la maquinaria molecular que los elementos L1 utilizan para copiarse a sí mismos.

Los resultados de Xue y Goldenfeld predijeron que se espera que las poblaciones de elementos LINE y SINE en el genoma oscilen de la misma manera que las de, por ejemplo, los lobos y los conejos podrían hacerlo.

"Nos dimos cuenta de que la interacción de los transposones en realidad era muy parecida a la interacción depredador-presa en ecología, ", dijo Xue." Se nos ocurrió la idea, ¿Por qué no aplicamos la misma idea de la dinámica depredador-presa? . .esperábamos ver las oscilaciones que vemos en el modelo depredador-presa. Primero hicimos la simulación y vimos las oscilaciones que esperábamos, y nos emocionamos mucho ".

En otras palabras, demasiados SINE y los LINE comienzan a sufrir, y pronto no habrá suficientes para que todos los SINE exploten. Los SINE comienzan a sufrir, y las LINE regresan. El modelo de Xue y Goldenfeld hizo la sorprendente predicción de que estas oscilaciones ocurren en una escala de tiempo más larga que la vida humana:ondas de elementos Alu y elementos L1 empujándose y tirando entre sí en cámara lenta a través de generaciones de genomas humanos que los portan.

"El aspecto más esclarecedor del estudio para mí fue el hecho de que realmente podíamos calcular las escalas de tiempo, y ver que es posible que podamos observar estas cosas, ", dijo Goldenfeld." Tenemos una predicción de lo que sucede en células individuales, y es posible que podamos hacer un experimento para observar estas cosas, aunque el período es más largo que la vida útil de una sola célula ".

En un estudio relacionado, El laboratorio de Goldenfeld ha colaborado con el laboratorio del compañero físico y miembro del tema de investigación de biocomplejidad del IGB, Thomas Kuhlman, para visualizar los movimientos de los transposones dentro de los genomas de las células vivas. Usando este tipo de tecnología innovadora, y al estudiar la historia de la evolución molecular en otras especies, Goldenfeld y Xue esperan probar algunas de las predicciones hechas por su modelo y continuar obteniendo información sobre el mundo dinámico del genoma.