40.000 generacions bacterianes: l’evolució d’un cultiu d’Escherichia coli en el laboratori

Genòmica evolutiva: Si remuntessim 40.000 generacions des de la humanitat actual, pujaríem pel llinatge humà vora 1 milió d’anys i es trobaríem amb comunitats caçadores-recol·lectores del Paleolític Inferior. Deixant de banda les diferències culturals (i això és deixar-hi molt), també se’ns farien patents les diferències físiques. Són humans, diríem, però no són com els humans d’ara. En un enterobacteri com Escherichia coli, 40.000 generacions ocupen un espai molt més breu de temps. En els humans, una generació és l’interval d’edat que separa de mitjana els membres d’una població respecte dels seus pares (que cal no confondre, com es fa sovint, amb l’edat mitjana amb la qual els individus amb fills tenen el primer fill). En bacteris la cosa és més simple ja que l’acte de reproducció consisteix en una fissió cel·lular, de forma que una generació és l’interval temporal que va des d’una divisió cel·lular a l’altra. El temps de generació d’Escherichia coli en l’intestí gros humà, per exemple, és d’unes 12 hores. Però si les condicions de cultiu són òptimes, és a dir hi ha nutrients en excés i els productes d’excreció del metabolisme bacterià són rentats ràpidament, el temps es redueix a 20 minuts. D’aquesta forma, les 40.000 generacions bacterianes poden escolar-se en qüestió de menys de dos anys. No obstant qualsevol experiment de dos anys de durada ja és notori (hi ha, però, un cas d’un experiment de 82 anys d’antiguitat, encara en curs). Doncs bé, la revista Nature publica una recerca que ressegueix l’evolució al llarg de 40.000 generacions d’un cultiu de laboratori d’Escherichia coli. La selecció natural o adaptació al medi, i la deriva gènica, són contrastades en aquest model evolutiu. Deixant de banda, fenòmens de transmissió horitzontal d’informació genètica, els bacteris es reprodueixen exclusivament de forma asexual. No obstant això, el model és també comparable amb les espècies amb reproducció sexual, únicament si fem l’abstracció de l’individu, i ens fixem en el genoma poblacional. Si ho fem des d’aquesta perspectiva (el conjunt de gens presents en la població, amb independència de com es distribueixin i es recombinin entre els individus sorgits per reproducció sexual) el model és en certa mesura comú a qualsevol espècie biològica que passés a ocupar un nítxol ecològic relativament estable i tingués temps per adaptar-s’hi.

Evolució genòmica i adaptació de l’organisme

Els autors han estat coordinats per Richard E. Lenski (del Departament de Microbiologia i Genètica Molecular de la Michigan State University) i Jihyun F. Kim (del Centre de Recerca en Biotecnologia Industrial i Bioenergia de l’Institut Coreà de Biociència i Biotecnologia, i també membre del Programa de Genòmica Funcional de la Universitat de Ciència i Tecnologia de Yuseong). La recerca l’han feta en primera línia Jeffrey E. Barrick (des de Michigan) i Dong Su Yu (des de Yuseong), amb el tràfec corresponent de mostres des del lloc on tenien el cultiu bacterià (Michigan) a on feien anàlisis genòmiques i bioinformàtiques (Corea). A banda, hi ha col·laborat, des de Corea, Sung Ho Yoon, Haeyoung Jeong i Tae Kwang Oh i, des de Grenoble, Dominique Schneider (del Laborati d’Adaptació i Patogènia dels Microorganismes). L’estudi forma part de l’anomenada “genòmica evolutiva”, que vol transcendir els estudis “clàssics” de genètica evolutiva o de genètica de poblacions que se centren en un o pocs caràcters hereditaris o un nombre limitat de gens (o en un únic gen). Es tracta, doncs, d’estudiar l’evolució de genomes sencers, és a dir del conjunt de gens d’un organisme (o, més pròpiament, d’una població d’organismes).

Quan fa 150 anys, Charles Darwin i Alfred Russell Wallace formulaven la seva teoria de l’evolució s’estimaven més parlar de “transformació”, car transformació no té la noció de “progressivitat” que té el terme evolució. La “transformació biològica” consistiria en les alteracions que es produeixen en una generació respecte de l’anterior i, de forma més general, al llarg de les generacions. Però aquesta “transformació” té dos components:
– hi ha un primer component que es deu al pur i simple atzar. “A” mai no pot ser exactament igual a “A”, ens ensenya la dialèctica. La part d’aquest component que té a veure amb les característiques hereditàries s’anomena “deriva gènica”, i és un procés estocàstic que segueix un model markovià.
– un segon component no és atzarós, sinó que ve determinat per la relació que s’estableix entre la població biològica i el seu entorn (hàbitat, nítxol ecològic, etc.). En aquest sentit hi ha una plasticitat que reflecteix la mera adaptació fisiològica i que queda fora, estrictament, del camp de la genètica. Però en el camp de la genètica també es produeixen canvis, i són aquests canvis els que s’anomenen “adaptació” en la teoria de Darwin-Wallace.

Gràcies a la genètica molecular, hom pot estudiar directament els gens sense haver de passar per les característiques externes que produeixen. Així, els autors, en el seu model bacterià, poden recercar la relació entre la taxa d’evolució genòmica i l’adaptació dels organismes bacterians al medi. I no ens moquen pas amb mitjà màniga quan diuen que estudien l’evolució genòmica, ja que el que fan és seqüenciar fil per randa el genoma d’una mostra de bacteris extreta en diferents moments de l’experiment. La seqüenciació genòmica vol dir elucidar, per a cadascuna de les vora de 5 milions de posicions nucleotídiques (=parells de bases) d’un genoma E. coli, quina de les quatre possibilitats (A, T, G, C) ocupa aquell lloc.

Adaptació “ràpida” a un nou medi i estabilitat ulterior


Imatge de microscopi òptic de cèl·lules d’Escherichia coli. La longitud és proporcional a l’edat, i veiem algunes cèl·lules en plena divisió.

L’experiment arrenca amb un inòcul d’Escherichia coli que va a parar a un medi de cultiu. Aquest fet equival a la introducció d’una espècie a un hàbitat nou. Val a dir, que el cultiu en qüestió és un medi especial, ja que és axènic (hi viu E. coli sense cap competidors o depredador). A banda d’això la disponibilitat de nutrients és gairebé infinita i els productes de degradació no s’acumulen. Això contrasta amb el medi en el qual ha evolucionat fonamentalment E. coli (l’intestí gros de mamífers), on no hi ha pas tants nutrients i, a més, cal recórrer al metabolisme anaerobi (menys productiu). No és estrany, doncs, que els autors troben un ràpid procés d’adaptació a les noves condicions.

Com que la maquinària de replicació genètica mai no és perfecta, en cada divisió cel·lular, les cèl·lules filles poden eventualment presentar “mutacions” respecte del genoma de la cèl·lula mare. Aquestes mutacions únicament poden tenir, a la llarga, dos destins:
– el més probable, és que la nova mutació es perdi: és a dir, el bacteri “mutant” desapareix bé directament o bé arriba a reproduir-se unes quantes generacions fins que tot el llinatge que ha produït s’extingeix.
– menys probable, però més significatiu, és que la mutació “s’amplifiqui”: és a dir que el llinatge de bacteris mutants arribi a substituir el llinatge originari.

En les condicions de l’estudi, la població bacteriana era mantinguda sota un determinat nivell de “població” (nombre de cèl·lules). És a dir, que si bé cada bacteri, en dividir-se, produeix dues cel·lules, hom no deixava pas augmentar fins el doble la població. Això és justament un dels principis de la teoria de Darwin-Wallace, que contrasten la capacitat de creixement geomètric o exponencial de les poblacions biològiques amb el fet que els recursos ecològics són constants (o, com deia Thomas Malthus, no gens correctament per a l’espècie humana en el seu desenvolupament capitalista, només poden crèixer aritmèticament). De mitjana, doncs, cada bacteri produeix dos bacteris fills, però d’aquests dos fills, de mitjana insistim, només viurà un. Si tornem a les mutacions podem veure ara com desapareixen i com es difonen. L’atzar (la deriva gènica) hi juga un paper. Però si la mutació genètica té un efecte en l’estructura-funció del bacteri, tenim dues possibilitats:
– que la mutació confereixi al bacteri una major capacitat reproductiva (més velocitat de creixement, més capacitat de supervivència, etc.).
– que la mutació disminueix aquesta capacitat reproductiva.

També pot passar que la mutació no alteri gens la capacitat reproductiva (mutació neutra). Cal insistir que una mutació serà beneficiosa, neutra o deletèria, d’acord amb l’ambient, i això vol dir l’ambient genètic (els altres gens), l’ambient cel·lular (tots els components de la cèl·lula) i l’ambient exterior (l’ambient pròpiament dit). Els autors eren interessats no pas en les mutacions individuals sinó en l’efecte global. I l’efecte global és que en un espai relativament curt de temps, s’acumulen en la població un gran nombre de mutacions beneficioses, que optimitzen el creixement bacterià en el medi.

El procés d’adaptació, ràpid al començament, s’atenua progressivament. En uns pocs centenars de generacions, els bacteris ja han assolit un creixement òptim. Això ha estat possible perquè les mutacions beneficioses han tendit a expandir-se. O, dit d’una altra manera, perquè els bacteris amb mutacions beneficioses es reprodueixen de forma més efectiva que no pas els altres. O, dit encara d’una altra manera, perquè l’ambient o el medi ha seleccionat positivament els bacteris que presentaven aquelles mutacions beneficioses. El raonament pot semblar circular, però una cosa és clara: la taxa de creixement dels bacteris “adaptats” al medi és més elevada que la taxa de creixement dels bacteris “originaris”. Les mutacions apareixen a l’atzar, però no és pas atzarosa l’acció que tenen en la “probabilitat” de supervivència dels organismes (i, per ende, en la probabilitat de supervivència de les pròpies mutacions). Darwin-Wallace parlaven de la “selecció natural”, però no hi ha cap més “mà invisible” que la dialèctica establerta entre els bacteris i el medi. És tan correcte dir que “els bacteris s’adapten al medi” com que “el medi selecciona els ‘seus’ bacteris”.

Encara que l’adaptació és gairebé completa ja des del principi, això no vol dir pas que s’aturi l’evolució genòmica del cultiu bacterià. La taxa evolutiva disminueix, però no pas fins a zero. Durant les primeres 20.000 generacions posteriors al període de ràpida adaptació, la taxa evolutiva es manté gairebé constant.

Aquest resultat també és esperable. La taxa bàsica de mutació en aquesta fase d’estabilitat adaptativa és tan elevada com ho era abans en la fase de ràpida adaptació. Normalment s’assum que la majoria de mutacions d’aquesta fase són neutres i que tota l’evolució que observem és deguda a la deriva gènica, és a dir al fet que algunes d’aquestes mutacions neutres, per pur atzar, aconsegueixen de “fixar-se” en tota la població.

Els autors, ara sí, s’aturen a estudiar les mutacions d’aquesta fase. I troben que la majoria de mutacions que apareixen són “beneficioses”. Gairebé totes ho són. D’acord amb el nombre poblacional amb el qual treballen, ben mirat, això tampoc no és tan sorprenent. Per tal que una mutació es pugui “fixar”, cal que els bacteris que la porten “superin” als que no la porten. Si la grandària poblacional és petita això ho poden aconseguir per pur atzar. Però si és gran, ho hauran de suar. Les mutacions beneficioses que es fixen en aquesta fase, perfeccionen allò que és gairebé perfecte. Com que l’adaptació a un medi és assimptòtica, sempre hi ha un espai, per petit que sigui, per aconseguir un bacteri “encara més adaptat”.

Assolida (gairebé) la perfecció

Concloses aquestes 20.000 generacions de taxa evolutiva lenta però constant, la perfecció adaptativa ja és massa gran com perquè apareguin al mateix ritme noves mutacions beneficioses. Curiosament, però, en aquesta fase augmenta la taxa de mutació. Però la majoria de mutacions que apareixen són neutres, i no alteren la “capacitat reproductiva” de la població. Entrem, doncs, ja en la fase de la deriva gènica, que de fet encara continua en el cultiu mantingut a Michigan.

Un qüestionament dels rellotges moleculars?

D’acord amb la hipòtesi de Kimura, en tant que la maquinària biomolecular bàsica es troba ja prou perfeccionada per milers de milions d’anys d’evolució, cal esperar que la majoria de mutacions que es fixen en les poblacions biològiques siguin neutres. I que es fixin amb una taxa constant. Aquesta és la base de la utilització de les dades de biologia molecular com si fossin rellotges, en els quals la taxa de substitució nucleotídica entre dos llinatges biològics, en determinades circumstàncies, és directament proporcional al temps que fa que se separaren. Certament, en l’estudi de Barrick et al. les mutacions neutres es fixen amb una gran irregularitat (en comparació amb la regularitat relativa de les mutacions beneficioses). Els autors se n’estranyen i recorden que en el seu estudi el medi és constant, per demanar-se de com no serà la situació en medis naturals, sempre fluctuants. Tanmateix, en les poblacions naturals (fins i tot en les bacterianes), el nombre d’individus en cada moment pot ser prou petit com perquè la fixació de mutacions neutrals no sigui tan prohibitiva com en l’experiment de Barrick et al.

Lligams:

Genome evolution and adaptation in a long-term experiment with Escherichia coli. Jeffrey E. Barrick, Dong Su Yu, Sung Ho Yoon, Haeyoung Jeong, Tae Kwang Oh, Dominique Schneider, Richard E. Lenski & Jihyun F. Kim. Nature advance online publication 18 October 2009 | doi:10.1038/nature08480.

Aquesta entrada ha esta publicada en General. Afegeix a les adreces d'interès l'enllaç permanent.

Deixa un comentari

L'adreça electrònica no es publicarà. Els camps necessaris estan marcats amb *

Aquest lloc utilitza Akismet per reduir el correu brossa. Aprendre com la informació del vostre comentari és processada