¿Se puede predecir la evolución?

Desde la integración de los principios de la genética a la teoría de la evolución a comienzos del siglo XX, se ha reconocido a los genes y sus mutaciones como la principal fuerza que impulsa este proceso. Sin embargo, estudios recientes indican que no todos los genes son iguales ante los ojos de la evolución. Hay genes que tienden a acumular más mutaciones que otros y que determinadas condiciones del entorno pueden seleccionar los mismos cambios genéticos en diferentes especies, volviendo a la evolución bastante predecible.

Por otro lado, la evolución también depende de efectos azarosos. Qué pasaría si volvemos atrás en el tiempo, hasta el momento en que se inició la vida en el planeta, y empezamos todo de nuevo en un mundo paralelo, con los mismos factores climatológicos, geológicos y cosmológicos que afectaron a la Tierra. Las especies que existirían hoy en día en ese mundo paralelo ¿tendrían el mismo conjunto de caracteres que las especies que habitan actualmente en nuestro planeta?. Si la evolución es predecible podemos decir que sí, pero no lo sabemos. Un grupo de investigadores estadounidenses liderados por el Dr. Patrick T. McGrath de la Universidad Rockefeller observaron que dos especies diferentes de nemátodos presentaban la misma mutación en respuesta a un determinado factor ambiental según un artículo publicado hoy en Nature.

El nemátodo Caenorhabditis elegans es una de las especies más usadas en el campo de la biología, siendo tan popular como la E. coli, la D. melanogaster (mosca de la fruta) o la A. thaliana. Por más de 50 años, los genetistas han usado a este pequeño gusano de 1mm de largo para estudiar muchos procesos básicos del desarrollo celular y la neurobiología.

La principal característica que ofrece C. elegans —que a su vez es la mpas ventajosa a la hora de usarlos como modelos biológicos— es su corto ciclo de vida. Las larvas maduran en tan sólo tres días, se reproducen, y al cabo de dos semanas, mueren. Sin embargo, ante determinados factores del entorno (Ej.: alta densidad poblacional, altas temperaturas o cantidad limitada de nutrientes) tienen la capacidad de entrar en un estado de baja actividad metabólica conocida como larva de dauer. En este estado los nemátodos no se alimentan ni se reproducen, pero pueden soportan las condiciones adversas del entorno.

Los nemátodos secretan unas feromonas que les permiten saber cuál es la densidad poblacional en un determinado momento. Cuando la concentración de feromonas superan un determinado valor, los nemátodos entran al estado de dauer, sin importar si hay o no disponibilidad de nutrientes en el medio. Sin embargo, hace dos años McGrath et al. se percataron que habían cepas que ya no entraban al estado de dauer, y seguían creciendo y reproduciéndose a pesar que la densidad poblacional, y por lo tanto, la concentración de feromonas, era alta.

Lo que pasa es que en el mundo natural, una mayor densidad poblacional significa una menor disponibilidad de nutrientes y una mayor competencia, lo que obliga a los nemátodos a entrar en el estadío de dauer hasta que las condiciones mejoren. Sin embargo, en el laboratorio, los medios de cultivo están diseñados de tal manera que los nemátodos nunca sufran de inanición. Es así que han evolucionado para no entrar en el estado de dauer así la densidad poblacional sea alta, ya que los nutrientes siempre estarían disponibles. Las cepas se obtuvieron de la siguiente manera:

Corría el año 1951 cuando se aisló la primera cepa de C. elegans en Bristol, Reino Unido. Entre 1957 y 1960 se separaron en dos líneas diferentes: LSJ1 y N2. La cepa N2 fue criada en un medio de cultivo con E. coli  hasta el año 1967 en que fue congelada y preservada. Mientras que la cepa LSJ1 fue criada en medios de cultivo axénicos (cultivo puro), usando diferentes nutrientes químicos. En 1995 se congeló y preservó un grupo, mientras que otro grupo siguió siendo cultivado hasta el año 2009. La cepa N2 fue reactivada para un experimento de la NASA, el cual fracasó tras la destrucción del transbordador Columbia en el año 2003. Sin embargo, la cepa logró sobrevivir y fue cultivada por 4 años en un medio axénico antes de ser congelada y preservada nuevamente. A esta cepa la llamaron CC1. Entonces, las tres cepas usadas en el presente estudio (LSJ2, CC1 y N2) provienen de un mismo ancestro.

Las cepas CC1 y LSJ2 no entraban al estado de dauer; mientras que la cepa N2, sí. Esto se debe a que la cepa N2 fue criada en un medio que se asemejaba al de su ambiente natural, donde los nemátodos y las E. coli debían competir por los nutrientes, y a su vez, las E. coli servían de alimento para los nemátodos. Entonces, a mayor población de nemátodos, menor número de bacterias, menos alimento y, por lo tanto, debían entrar al estado de dauer para poder sobrevivir hasta tiempos mejores. Por otro lado, las cepas CC1 y LSJ2 no sufrían de escases de nutrientes, así que podían evolucionar y darse el lujo de no entrar en el estado de dauer, así la densidad poblacional sea alta.

Al estudiar la cepa LSJ2, McGrath et al. observó que esta era insensible a la acción de las feromonas debido a la ausencia de las moléculas receptoras. Al comparar los genomas de la cepa LSJ2 y la N2, los investigadores encontraron que en LSJ2 faltaba una porción de ~5,000 nucleótidos en el cromosoma X, que incluía dos genes (srg-36 y srg-37) que codificaban para dos proteínas G (proteínas encargadas de transmitir las señales químicas del entorno hacia el interior de las células para desencadenar una determinada respuesta). Por esta razón, no reaccionaban — se volvieron insensibles a las feromonas.

Los investigadores se llevaron una primera sorpresa cuando descubrieron que la cepa CC1 también mostraba una pérdida de ~6,800 nucleótidos en la misma región del cromosoma X que la cepa LSJ2. Como era de esperarse, esta pérdida involucraba la ausencia de dos proteínas receptoras volviéndolas insensibles a las feromonas. En este caso, la cepa evolucionó en tan sólo cuatro años. Cuando se les restituía la función de cualquiera de estos dos genes, las cepas LSJ2 y CC1 volvieron a ser sensibles a las feromonas y activar el estado de dauer.

Por otro lado, otra especie conocida como C. briggsae, que fue criada en otro laboratorio de una manera similar a la C. elegans LSJ2, también se había vuelto insensible a las feromonas y no entraba al estado de dauer. Estas dos especies de nemátodos se separaron hace unos 25 millones de años. Sin embargo, los científicos se llevaron una gran sorpresa al descubrir que la C. briggsae insensible a las feromonas mostraba una pérdida de ~33,000 nucleótidos en una región de su genoma que contenía a genes parálogos (genes con la misma función pero distinto origen evolutivo) a los genes srg de C. elegans.

Estos resultados demuestran que ante una misma presión selectiva, los cambios genéticos que les permiten evolucionar y adaptarse son reproducibles en diferentes especies. Además, se puede deducir que las mutaciones evolutivamente relevantes no se distribuyen al azar sino se dan en regiones específicas del genoma (‘hotspots’). Entonces, podríamos afirmar que para ciertos caracteres que promueven la adaptación de un organismo a su entorno, podemos predecir hacia donde va la evolución.

Aproximadamente de 50 a 100 genes están involucrados con la entrada al estado de dauer, así que la pérdida de cualquiera de ellos podría tener el mismo efecto sobre los nemátodos; sin embargo, la evolución sólo se ha enfocado en dos de ellos —los encargados de codificar los receptores de las feromonas— tal vez porque son los que menores efectos perjudiciales generen: la evolución tiende a eliminar aquellos genes que menores daños colaterales genere a costa de un beneficio.

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Referencia:

McGrath, P., Xu, Y., Ailion, M., Garrison, J., Butcher, R., & Bargmann, C. (2011). Parallel evolution of domesticated Caenorhabditis species targets pheromone receptor genes Nature DOI: 10.1038/nature10378