Cómo puede la evolución salvar el hueco entre estados fisiológicos discretos es una pregunta que desconcierta a los biólogos y, por tanto, que encanta a sus críticos.

La mayor parte de cambios evolutivos tienen lugar en incrementos diminutos; un elefante crece un poco más, el cuello de la jirafa se hace un poco más largo y si esos diminutos cambios demuestran ser ventajosos tienen una mejor opción de pasarlos a la siguiente generación, la cual podría entonces permitir sus propias mutaciones hasta que termines con un enorme paquidermo o el estirado cuello de una jirafa.

Pero, ¿qué sucede con rasgos como el número de alas de un insecto o los miembros de un primate donde no parece haber un término medio? ¿Cómo se hicieron este tipo de grandes saltos evolutivos?

De acuerdo con la hipótesis de científicos del Instituto Tecnológico de California (Caltech) y la Escuela de Medicina de la Universidad de Temple, tales cambios pueden, al menos a veces, ser el resultado de fluctuaciones aleatorias, o ruido (variaciones no genéticas), trabajando junto con un fenómeno conocido como penetrancia parcial.

La penetrancia parcial es el nombre dado por los biólogos evolutivos al grado por el cual una mutación genética puede tener distintos efectos en distintos organismos de una población.

«Nuestro trabajo demuestra cómo la penetrancia parcial puede desempeñar un papel en la evolución permitiendo a las especies evolucionar gradualmente de producir el 100 por cien de una forma a desarrollar el 100 por cien de otra forma cualitativamente distinta”, dice Michael Elowitz, profesor ayudante de biología y física aplicada en Caltech, e investigador del Instituto Médico Howard Hughes que lideró el equipo. «Los estados intermedios que tienen lugar por el camino no son formas intermedias, sino cambios en la fracción de individuos que los desarrollan de una forma o de otra».

«Si tomas un montón de células y las haces crecer exactamente en el mismo entorno, serán hermanos gemelos idénticos en términos de los genes que tienen, pero pueden mostrar diferencias sustanciales en su comportamiento», dice Avigdor Eldar, becario de posdoctorado en biología en Caltech y autor principal del artículo. Este tipo de variaciones – o ruido, como lo llaman los investigadores — pueden realmente permitir que una mutación tenga un efecto en algunos organismos pero no en otros. Por ejemplo, muestras que algunas células variables genéticamente mostrarán el efecto esperado de la mutación, otras pueden seguir comportándose normalmente, o como una célula silvestre. Y aun así otras pueden hacer otra cosa distinta.

“Estas células mutantes no sólo muestran una morfología distinta», señala Eldar. «Muestran más variabilidad en su comportamiento. En una población puedes ver una mezcla de distintos comportamientos, con algunas células haciendo una cosa y otras haciendo otra distinta».

En su artículo de Nature, Elowitz y Eldar, junto con sus colegas, estudiaron la penetrancia parcial en una especie de bacterias conocida como Bacillus subtilis. Específicamente, observaron las esporas que producía B. Subtilis como mecanismo de supervivencia cuando llegaban malos tiempos. Estas esporas son clonas durmientes más pequeños de su “célula madre”. Están adjuntas a la madre, pero son entidades separadas con su propio ADN.

Una espora bacteriana se diseña específicamente para no hacer otra cosa que sobrevivir. «No crece, no hace nada», dice Eldar. «Simplemente espera que llegue buenos momentos para volver».

El tipo silvestre de bacteria B. Subtilis siempre esporula de la misma forma: crea una única espora, menor que la célula madre, pero con una única copia exacta del cromosoma de la madre.

Lo que los científicos vieron fue un “mutante en el que el proceso de esporulación se vio afectado», explica Eldar. «Normalmente, estas células hablan entre sí, con la pequeña célula diciéndole a la célula madre, ‘Estoy aquí, y estoy bien’. En una célula silvestre, esta comunicación el clara; en la célula mutante, apenas un susurro, y la madre no siempre lo escucha».

Cuando tiene lugar este tipo de mutación de susurro, descubrieron los investigadores, existen cuatro posibles salidas:

  • La bacteria esporula normalmente, como el tipo silvestre.
  • La bacteria hace dos copias de su cromosoma en lugar de uno, por lo que existen tres cromosomas pero crea sólo una única espora. En este caso, la célula madre retiene dos de los cromosomas y da a la espora una.
  • La bacteria hace una copia de su cromosoma, pero crea dos esporas en lugar de una. En este caso, cada espora tiene un cromosoma, y la célula madre no tendrá ninguno. (Esta es una mutación letal; ni la madre ni las esporas sobrevivirán).
  • La bacteria hace dos copias de su cromosoma en lugar de uno, de tal forma que hay tres cromosomas. Entonces crea dos esporas. En este caso, la madre y cada una de las esporas gemelas tendrá un único cromosoma.

Esta última posibilidad, señala Eldar, es algo que nunca antes se había visto en B. Subtilis. Pero esto no significa que este comportamiento de generar gemelos no tenga sus ventajas. «En algunos entornos, podría ser mejor para la célula», dice. «Sabemos esto debido a que existen otras especies cuyos tipos silvestres hacen lo mismo que nuestro mutante estaba haciendo sólo una vez cada cierto tiempo».

Los científicos pronto se dieron cuenta de que esta variabilidad era su camino de entrada hacia la comprensión de cómo la evolución hace saltos de un fenotipo a otro. «No puedes cambiar de 1 espora a 1,1», apunta Eldar. «Pero es fácil encontrar una mutación que simplemente cambie la frecuencia del comportamiento. Si el 10 por ciento de la población hace 2 esporas y el resto hace 1, funciona. Resuelve la necesidad de un salto cuántico entre 1 y 2 esporas».

Una vez que habían visto este extraño comportamiento en una pequeña minoría de las bacterias, los investigadores llevaron el proceso un paso más allá, poniendo en juego otros elementos en el sistema de esporulación. Por ejemplo, observaron lo que sucedería si, además de atenuar la comunicación entre la madre y la espora — haciendo creer a la madre que aún no había generado una espora exitosa — incrementabas el volumen de la señal que dicen a la madre que replique su cromosoma.

Tal vez sin mucha sorpresa, encontraron que este tipo de cambios incrementaron el porcentaje de individuos de B. Subtilis que decidían producir dos esporas en lugar de una. De hecho, combinando ambas mutaciones, dice Eldar, fueron capaces de aumentar el porcentaje de bacterias que crean esporas gemelas de aproximadamente un 1 por ciento (en bacterias mutadas por separado) hasta un 40 por ciento (en bacterias mutadas múltiplemente).

«Cuando tienes una única mutación, los gemelos muestran muy poca penetrancia», dice Eldar. «Pero cuando añades más mutaciones, puedes aumentar la penetrancia a niveles muy altos».

«Demostramos que algunas mutaciones causan que se desarrolle una baja frecuencia de esporas gemelas en la misma célula, en lugar de una única espora por célula, como ocurre normalmente», dice Elowitz. «La frecuencia relativa de esta forma podría ajustarse a altos niveles mediante otra mutación».

Este estudio proporcionar un ejemplo concreto de un escenario particular para explicar la evolución del desarrollo. «Ilustra un modo bastante poco familiar en el que podría funcionar la evolución del desarrollo», añade Elowitz. «Los cambios cualitativos de una forma a otra puede proceder a través de cambios en las frecuencias relativas — o penetrancia — de estas formas.

«Es interesante que el ruido — estas fluctuaciones aleatorias de proteínas en la célula —sea crítico para este trabajo”, continúa. «El ruido no es sólo un problema para el sistema; es una parte clave del proceso que permite a células genéticamente idénticas hacer cosas muy distintas».

Además, señala Elowitz, el trabajo demuestra que “el desarrollo bacteriano puede ser un buen sistema para un mayor estudio de estos termas generales en la evolución del desarrollo».


Artículo de referencia: «Partial penetrance facilitates developmental evolution in bacteria,» Nature

Fecha Original: 20 de julio de 2009
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