Crecimiento y rotura simulados de racimos de levadura multicelulares, en el que las tensiones físicas crean un ciclo de vida en lugar de un programa biológico para hacerlo. Crédito:Georgia Tech / Yunker, Ratcliff
La mutación genética puede impulsar la evolución, pero no por sí solo. La física puede ser un copiloto poderoso, a veces incluso marcando el rumbo.
En un nuevo estudio, Los físicos y biólogos evolutivos del Instituto de Tecnología de Georgia han demostrado cómo el estrés físico puede haber avanzado significativamente el camino evolutivo de organismos unicelulares a organismos multicelulares. En experimentos con grupos de células de levadura llamadas levadura de copo de nieve, Las fuerzas en las estructuras físicas de los cúmulos empujaron a los copos de nieve a evolucionar.
"La evolución de la multicelularidad es tanto una cuestión de física como de biología, "dijo el biólogo Will Ratcliff, profesor asistente en la Facultad de Ciencias Biológicas de Georgia Tech.
Cuanto más grandes son ...
Como los primeros antepasados de los organismos multicelulares, En este estudio, la levadura del copo de nieve se encontró en un acertijo:a medida que crecía, las tensiones físicas lo desgarraron en pedazos más pequeños. Entonces, ¿Cómo sostener el crecimiento necesario para evolucionar hacia un organismo multicelular complejo?
En el laboratorio, esas fuerzas cortantes jugaron directamente en las manos de la evolución, estableciendo una pista para dirigir la evolución de la levadura hacia más grandes, copos de nieve más duros.
"En solo ocho semanas, la levadura del copo de nieve evolucionó más grande, cuerpos más robustos al descubrir la física de la materia blanda que los humanos tardaron cientos de años en aprender, "dijo Peter Yunker, profesor asistente en la Escuela de Física de Georgia Tech. Él y Ratcliff colaboraron en la investigación que documentó la evolución y midió las propiedades físicas de la levadura de copo de nieve mutada.
Publicaron sus resultados el 27 de noviembre. 2017, en el diario Física de la naturaleza . El trabajo fue financiado por el programa de exobiología de la NASA, la Fundación Nacional de Ciencias, y una beca de la Fundación Packard para Ratcliff.
Preguntas y respuestas
Aquí hay algunas preguntas y respuestas para iluminar el estudio y su importancia.
Pero primero, algunos antecedentes:levadura de panadería, que se utilizó en estos experimentos, suele ser un organismo unicelular. Las células de levadura con una mutación conocida se unen en grupos llamados copos de nieve.
Ese no fue el foco de los experimentos, pero los copos de nieve de levadura fueron el punto de partida de este estudio sobre la evolución de la multicelularidad.
¿Por qué es importante este estudio?
Un grupo de células como un copo de nieve de levadura aún no es un organismo multicelular bien integrado. Llegar incluso a una multicelularidad simple como la de algunas algas es un recorrido evolutivo muy largo.
"Es un viaje de mil pasos, "Dijo Ratcliff." El cambio clave es que este grupo de células no evolucione como una pandilla de células individuales, sino como un individuo multicelular ".
En este trabajo, Los investigadores mostraron cómo la levadura de copo de nieve dio los primeros pasos en esa dirección al desarrollar cuerpos multicelulares más resistentes que sostenían el crecimiento. El proceso fue impulsado principalmente por fuerzas físicas, ya que los simples copos de nieve no tenían complejos mecanismos biológicos internos que fueran capaces de ser los principales impulsores.
"Este es un ejemplo asombroso de adaptación multicelular en torno a las limitaciones físicas mucho antes de la evolución de un programa de desarrollo celular, "Dijo Yunker.
El físico Peter Yunker y el biólogo evolutivo Will Ratcliff en el laboratorio de Yunker en Georgia Tech. Yunker tiene una muestra de racimos de levaduras multicelulares nacientes que se utilizaron en los experimentos. Crédito:Georgia Tech / Rob Felt
¿Cómo funciona esta evolución a través del estrés físico?
"Los copos de nieve de levadura crecieron agregando células de punta a punta para formar ramas como las de un arbusto, "Dijo Yunker." Pero las ramas se apiñaron entre sí, y las tensiones que resultaron hicieron que algunos se rompieran ".
La rotura cortó el tamaño de los copos de nieve de levadura individuales, pero después de varias generaciones, los copos de nieve evolucionaron para reducir el apiñamiento de ramas alargando sus células individuales.
Como resultado, los copos de nieve en general estaban menos estresados y podían volverse más grandes y más robustos.
Además, Los investigadores de Georgia Tech descubrieron que la física hacía que los copos de nieve básicamente tuvieran bebés. Específicamente, los pedazos que se rompieron se convirtieron en propágulos que se convirtieron en sus propios copos de nieve.
Esta reproducción fue creada por la fuerza física y no por un programa biológico. Ratcliff publicó un estudio separado sobre el aspecto de la reproducción el 23 de octubre, 2017, en el diario Transacciones filosóficas de la Royal Society B .
"La física hace mucho por la multicelularidad, ", Dijo Ratcliff." También le da un ciclo de vida ". El ciclo de vida se refiere al nacimiento, crecimiento, reproducción, y muerte.
"Se está formando un consenso de que para que algo realmente evolucione hacia la multicelularidad, muy temprano, tiene que desarrollarse un ciclo de vida multicelular ".
El físico Peter Yunker y el biólogo evolutivo Will Ratcliff examinan cómo las tensiones físicas obligan a progresar a la evolución en el laboratorio de Yunker en Georgia Tech. Crédito:Georgia Tech / Rob Felt
¿Cómo seleccionaron los experimentos para estas adaptaciones específicas?
Ratcliff y Yunker agilizaron la evolución en el laboratorio al crear un régimen de selección consistente para que evolucionen los copos de nieve de levadura. En este caso, seleccionaron copos de nieve que se hundían mejor.
Los copos de nieve que se hundieron mejor fueron más pesados, porque crecieron más que otros de la manera descrita anteriormente, dándoles más masa. "Los grupos que evolucionaron para crecer más eran, por lo tanto, también más pesados, "Dijo Ratcliff.
Esta configuración de selección experimental correspondía a la evolución natural, que también tuvo que seleccionar el tamaño para llegar a cuerpos multicelulares complejos, que son mucho, mucho más grande que las celdas individuales.
La mutación de ramas es genética. ¿Es la física realmente tan importante aquí?
Eso es correcto:las mutaciones genéticas aleatorias resultaron en mejores, ramas más largas en algunos copos de nieve de levadura, lo que les da una ventaja de peso acumulativo.
Pero la propagación de las mutaciones superiores de los copos de nieve fue el resultado de tensiones físicas que no rompieron los copos de nieve hasta que se hicieron más grandes.
Las piezas que finalmente se rompieron debido puramente a la fuerza física, eran los propágulos. Algunos de ellos llevaron mutaciones hacia adelante que hicieron que los nuevos copos de nieve se hundieran aún mejor.
Y ese fue un paso crítico en la evolución multicelular.
¿Cómo se corroboró el estrés como la causa de la ruptura de los copos de nieve?
Los investigadores pusieron a prueba las propiedades materiales de los copos de nieve bajo un microscopio de fuerza atómica. "Aplastamos los racimos y medimos cuánta fuerza y energía necesitabas para romperlos, "Dijo Yunker.
"La medición física indicó de cerca el tamaño que alcanzarían los racimos antes de que se rompieran una rama debido al estrés, "Dijo Ratcliff.
