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La coevolución, fuente de eficacia biológica

Un trabajo realizado por Meyer y col.  que ha sido publicado estos días en la revista Science, sondea experimentalmente la posibilidad de que la coevolución favorezca la aparición de innovaciones clave que permitan a los organismos adquirir nuevas funciones y la capacidad de expandir sus oportunidades ecológicas.

Al hilo del trabajo, que luego comentaré, se publica en la misma revista un comentario de Thompson, del departamento de Ecología y Biología Evolutiva de la Universidad de California, que conviene mencionar para comprender el interés de trabajo publicado.

Como recuerda Thopmson, una teoría clásica de la biología evolutiva,  sugiere que las poblaciones evolucionan hacia picos de adaptación separados por valles. Los picos serían combinaciones de genes que confieren una elevada eficacia biológica a los individuos, mientras que los valles serían combinaciones de genes que les confieren una eficacia biológica baja (véase la figura). Pero, ¿cómo una población puede pasar de un pico a otro, tal vez más alto, a través de un valle de adaptación en el que las combinaciones de genes se supone que son malas adaptaciones? Según el trabajo realizado por Meyer, la coevolución puede favorecer innovaciones biológicas clave y permitir que una población pase rápidamente de la ladera de un pico de adaptación a otro pico diferente.

Para observar el efecto de la selección natural en la coevolución, un ejemplo biológico al que se recurre frecuentemente es la capacidad de los fagos de adherirse a la superficie de una bacteria, y el intento de esta bacteria de evitar esta adsorción. Cuando los virus inician una infección, se unen a moléculas receptoras que están presentes en la membrana de las células hospedantes. Las propiedades fisico-químicas de los ligandos virales (las moléculas virales que reconocen y se unen a las proteínas bacterianas de membrana) determina el rango de hospedantes y, por tanto, el nicho biológico de los virus. Mutaciones en los genes virales que determinan esos ligandos virales pueden generar cambios en el rango de hospedantes y suelen estar asociadas a enfermedades emergentes. La evolución en la capacidad de un virus de infectar una bacteria a través de un nuevo receptor, se considera una innovación para ese virus. Este es el caso de lo que se analiza en el experimento de Meyer et al.

En el trabajo ahora publicado, se utiliza como organismo modelo el bacteriófago lambda (λ, que  infecta exclusivamente a la bacteria Escherichia coli (E. coli). Para ello utiliza una proteína propia especializada (J), que se une a la proteína de la membrana de E. coli denominada LamB . En el trabajo,  los investigadores demuestran que λ es capaz de sufrir mutaciones y generar una proteína J que se une a una proteína bacteriana de superficie diferente, OmpF, de estructura cristalina similar a LamB, pero de secuencia aminoacídica bastante diferente. Así, los virus λ mutantes, eluden la evolución de la resistencia de la bacteria mediante mutaciones en la proteína LamB mediante cambio de la proteína de superficie que utilizan para su infección.

Para que el virus pueda utilizar la proteína bacteriana OmpF para su adhesión a E.coli, se requieren 4 mutaciones en el gen que sintetiza la proteína vírica J. Esta combinación de mutaciones (y solo ésta) crea una combinación biológicamente favorable (un nuevo pico en el espacio 3D de la evolución de estas poblaciones), ya que le permite al virus sortear la resistencia bacteriana.

Llamativamente, esta innovación clave para las poblaciones de λ se produjo varias veces durante las varias semanas en las que se llevó a cabo el experimento, y en distintas poblaciones del virus, mientras virus y bacterias co-evolucionaban en los frascos de cultivo.

Los resultados de Meyer et al. indican que las poblaciones microbianas pueden evolucionar hacia innovaciones clave en sólo unas pocas semanas. El mismo laboratorio ya había informado de que, en ausencia de coevolución, poblaciones experimentales de E. coli desarrollaban innovaciones clave para el uso de recursos en aproximadamente 30.000 generaciones. Tomados en conjunto ambos trabajos,  parecen indicar que la coevolución incrementaría el número de oportunidades favorables.

 

La Coevolución de poblaciones de fagos con LamB casualmente hace posible que combinaciones improbables de mutaciones vayan juntas. Esta combinación de mutaciones crea una combinación de genes que forma una cresta estrecha entre dos picos permitiendo a la población de fagos cambiar el uso de LamB por el uso de OmpF.

 

 

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