Articulo de referencia

Evolución experimental

La evolución experimental es el uso de experimentos de laboratorio o manipulaciones de campo controladas para explorar la dinámica evolutiva. [ 1 ] La evolución puede observarse...

La evolución experimental es el uso de experimentos de laboratorio o manipulaciones de campo controladas para explorar la dinámica evolutiva. [ 1 ] La evolución puede observarse en el laboratorio a medida que las poblaciones se adaptan a nuevas condiciones ambientales mediante la selección natural .

La adaptación puede surgir en la evolución experimental de dos maneras diferentes. Una es mediante la adquisición por parte de un organismo individual de una nueva mutación beneficiosa . [ 2 ] La otra es a partir de un cambio en la frecuencia alélica de la variación genética preexistente en una población de organismos. [ 2 ] Otras fuerzas evolutivas, además de la mutación y la selección natural, también pueden desempeñar un papel o incorporarse a los estudios de evolución experimental, como la deriva genética y el flujo génico . [ 3 ]

El organismo utilizado lo decide el experimentador, basándose en la hipótesis que se va a probar. Se requieren muchas generaciones para que ocurra una mutación adaptativa, y la evolución experimental mediante mutación se lleva a cabo en virus u organismos unicelulares con tiempos de generación rápidos, como bacterias y levaduras clonales asexuales . [ 1 ] [ 4 ] [ 5 ] Las poblaciones polimórficas de levaduras asexuales o sexuales , [ 2 ] y eucariotas multicelulares como Drosophila , pueden adaptarse a nuevos entornos mediante cambios en la frecuencia alélica en la variación genética existente. [ 3 ] Los organismos con tiempos de generación más largos, aunque costosos, pueden utilizarse en la evolución experimental. Estudios de laboratorio con zorros [ 6 ] y con roedores (véase más adelante) han demostrado que pueden ocurrir adaptaciones notables en tan solo 10-20 generaciones y los experimentos con guppies salvajes han observado adaptaciones en un número comparable de generaciones. [ 7 ]

Más recientemente, los individuos o poblaciones evolucionados experimentalmente se analizan a menudo utilizando la secuenciación del genoma completo , [ 8 ] [ 9 ] un enfoque conocido como Evolucionar y Resecuenciar (E&R). [ 10 ] E&R puede identificar mutaciones que conducen a la adaptación en individuos clonales o identificar alelos que cambiaron en frecuencia en poblaciones polimórficas, comparando las secuencias de individuos/poblaciones antes y después de la adaptación. [ 2 ] Los datos de secuencia permiten señalar el sitio en una secuencia de ADN donde ocurrió una mutación/cambio en la frecuencia del alelo para producir la adaptación. [ 10 ] [ 9 ] [ 2 ] La naturaleza de la adaptación y los estudios de seguimiento funcional pueden arrojar luz sobre qué efecto tiene la mutación/alelo en el fenotipo .

Historia

Domesticación y cría

Este cruce de chihuahua y gran danés muestra la amplia gama de tamaños de razas de perros creadas mediante selección artificial .

Sin darse cuenta, los humanos han llevado a cabo experimentos evolutivos desde que comenzaron a domesticar plantas y animales. La cría selectiva de plantas y animales ha dado lugar a variedades que difieren drásticamente de sus ancestros silvestres originales. Ejemplos de ello son las variedades de repollo , el maíz o la gran cantidad de razas de perros diferentes . Charles Darwin ya reconocía el poder de la cría humana para crear variedades con diferencias extremas a partir de una sola especie . De hecho, comenzó su libro El origen de las especies con un capítulo sobre la variación en los animales domésticos. En este capítulo, Darwin analizó en particular la paloma.

En total, se podrían seleccionar al menos una veintena de palomas que, si se mostraran a un ornitólogo y se le dijera que eran aves silvestres, sin duda, creo, las clasificaría como especies bien definidas. Además, no creo que ningún ornitólogo colocaría a la paloma mensajera inglesa, la volteadora de cara corta, la paloma enana, la paloma barbuda, la paloma buchona y la paloma de cola de abanico en el mismo género; más aún porque en cada una de estas razas se le podrían mostrar varias subrazas verdaderamente heredadas, o especies, como él las habría llamado. (...) Estoy completamente convencido de que la opinión común de los naturalistas es correcta, a saber, que todas descienden de la paloma bravía ( Columba livia ), incluyendo bajo este término varias razas geográficas o subespecies, que difieren entre sí en los aspectos más insignificantes.

Charles Darwin , El origen de las especies

Temprano

Dibujo de la incubadora utilizada por Dallinger en sus experimentos sobre la evolución.

Uno de los primeros en llevar a cabo un experimento de evolución controlada fue William Dallinger . A finales del siglo XIX, cultivó pequeños organismos unicelulares en una incubadora especialmente diseñada durante un período de siete años (1880-1886). Dallinger aumentó gradualmente la temperatura de la incubadora desde 60  °F iniciales hasta 158  °F. Los primeros cultivos mostraron claros signos de estrés a una temperatura de 73  °F y, sin duda, no eran capaces de sobrevivir a 158  °F. Los organismos que Dallinger tenía en su incubadora al final del experimento, por otro lado, se encontraban perfectamente bien a 158  °F. Sin embargo, estos organismos ya no crecían a la temperatura inicial de 60  °F. Dallinger concluyó que había encontrado evidencia de adaptación darwiniana en su incubadora y que los organismos se habían adaptado para vivir en un ambiente de alta temperatura. La incubadora de Dallinger fue destruida accidentalmente en 1886, y Dallinger no pudo continuar con esta línea de investigación. [ 11 ] [ 12 ]

Desde la década de 1880 hasta 1980, la evolución experimental fue practicada intermitentemente por diversos biólogos evolutivos, entre ellos el influyente Theodosius Dobzhansky . Al igual que otras investigaciones experimentales en biología evolutiva durante este período, gran parte de este trabajo carecía de una replicación extensa y se llevó a cabo solo durante períodos de tiempo evolutivo relativamente cortos. [ 13 ]

Moderno

La evolución experimental se ha utilizado en diversos formatos para comprender los procesos evolutivos subyacentes en un sistema controlado. Se ha realizado evolución experimental en eucariotas multicelulares [ 14 ] y unicelulares [ 15 ] , procariotas [ 16 ] y virus [ 17 ] . También se han realizado trabajos similares mediante la evolución dirigida de genes individuales de enzimas [ 18 ] [ 19 ] , ribozimas [ 20 ] y replicadores [ 21 ] [ 22 ] .

pulgones

поколения=generaciones, Смертность=mortalidad

En la década de 1950, el biólogo soviético Georgy Shaposhnikov realizó experimentos con pulgones del género Dysaphis . Al transferirlos a plantas que normalmente eran casi o completamente inadecuadas para ellos, obligó a poblaciones de descendientes partenogenéticos a adaptarse a la nueva fuente de alimento hasta el punto de aislarse reproductivamente de las poblaciones regulares de la misma especie. [ 23 ]

moscas de la fruta

Uno de los primeros experimentos de una nueva ola que empleó esta estrategia fue la "radiación evolutiva" en laboratorio de poblaciones de Drosophila melanogaster que Michael R. Rose inició en febrero de 1980. [ 24 ] Este sistema comenzó con diez poblaciones, cinco cultivadas en edades avanzadas y cinco en edades tempranas. Desde entonces, se han creado más de 200 poblaciones diferentes en esta radiación de laboratorio, con selección dirigida a múltiples caracteres. Algunas de estas poblaciones altamente diferenciadas también han sido seleccionadas "hacia atrás" o "en sentido inverso", al devolver las poblaciones experimentales a su régimen de cultivo ancestral. Cientos de personas han trabajado con estas poblaciones durante casi tres décadas. Gran parte de este trabajo se resume en los artículos recopilados en el libro Methuselah Flies . [ 25 ]

Los primeros experimentos en moscas se limitaron al estudio de fenotipos, pero no se pudieron identificar los mecanismos moleculares, es decir, los cambios en el ADN que facilitaban dichos cambios. Esto cambió con la tecnología genómica. [ 26 ] Posteriormente, Thomas Turner acuñó el término Evolucionar y Resecuenciar (E&R) [ 10 ] y varios estudios utilizaron el enfoque E&R con éxito mixto. [ 27 ] [ 28 ] Uno de los estudios de evolución experimental más interesantes fue realizado por el grupo de Gabriel Haddad en UC San Diego, donde Haddad y sus colegas evolucionaron moscas para adaptarse a ambientes con bajo oxígeno, también conocidos como hipoxia. [ 29 ] Después de 200 generaciones, utilizaron el enfoque E&R para identificar regiones genómicas que fueron seleccionadas por selección natural en las moscas adaptadas a la hipoxia. [ 30 ] Experimentos más recientes están dando seguimiento a las predicciones de E&R con RNAseq [ 31 ] y cruces genéticos. [ 9 ] Estos esfuerzos en combinar E&R con validaciones experimentales deberían ser poderosos para identificar genes que regulan la adaptación en las moscas.

Muy recientemente, la evolución experimental en moscas ha tomado el rumbo de abordar los mecanismos moleculares [ 32 ] [ 33 ] y al hacerlo podría allanar el camino para comprender mejor la fisiología de un organismo y, por lo tanto, redefinir las terapias de enfermedades. [ 34 ]

Microbios

Muchas especies microbianas tienen tiempos de generación cortos , genomas fácilmente secuenciables y una biología bien comprendida. Por lo tanto, se utilizan comúnmente para estudios de evolución experimental. Las especies bacterianas más utilizadas para la evolución experimental incluyen P. fluorescens , [ 35 ] Pseudomonas aeruginosa , [ 36 ] Enterococcus faecalis [ 37 ] y E. coli (véase más adelante), mientras que la levadura S. cerevisiae se ha utilizado como modelo para el estudio de la evolución eucariota. [ 38 ]

El experimento de Lenski con E. coli

Uno de los ejemplos más conocidos de evolución bacteriana en laboratorio es el experimento a largo plazo con E. coli de Richard Lenski . El 24 de febrero de 1988, Lenski comenzó a cultivar doce linajes de E. coli en condiciones de crecimiento idénticas. [ 39 ] [ 40 ] Cuando una de las poblaciones desarrolló la capacidad de metabolizar aeróbicamente el citrato del medio de cultivo y mostró un crecimiento mucho mayor, [ 41 ] esto proporcionó una observación impactante de la evolución en acción. El experimento continúa hasta el día de hoy y es ahora el experimento de evolución controlada de mayor duración (en términos de generaciones) jamás realizado. Desde el inicio del experimento, las bacterias han crecido durante más de 60 000 generaciones. Lenski y sus colegas publican actualizaciones periódicas sobre el estado de los experimentos. [ 42 ]

Leishmania donovani

Bussotti y colaboradores aislaron amastigotes de Leishmania donovani y los cultivaron in vitro durante 3800 generaciones (36 semanas). El cultivo de estos parásitos mostró cómo se adaptaron a las condiciones in vitro compensando la pérdida de una quinasa relacionada con NIMA , importante para la correcta progresión de la mitosis, mediante el aumento de la expresión de otra quinasa ortóloga a medida que progresaban las generaciones de cultivo. Además, se observó cómo L. donovani se ha adaptado al cultivo in vitro reduciendo la expresión de 23 transcritos relacionados con la biogénesis flagelar y aumentando la expresión de grupos de proteínas ribosómicas y ARN no codificantes como los ARN pequeños nucleolares . El parásito considera que los flagelos son menos necesarios en el cultivo in vitro y, por lo tanto, la progresión de las generaciones conduce a su eliminación, lo que provoca un ahorro de energía debido a una menor motilidad, de modo que la proliferación y la tasa de crecimiento en el cultivo son mayores. Los snoRNA amplificados también conducen a una mayor biosíntesis ribosomal, una mayor biosíntesis de proteínas y, por lo tanto, a una mayor tasa de crecimiento del cultivo. Estas adaptaciones observadas a lo largo de generaciones de parásitos están regidas por variaciones en el número de copias (CNV) e interacciones epistáticas entre los genes afectados, y nos permiten justificar la inestabilidad genómica de Leishmania a través de su regulación postranscripcional de la expresión génica. [ 43 ]

ratones domésticos de laboratorio High Runner

Ratón del experimento de selección de Garland con rueda de correr acoplada y su contador de rotación.

En 1993, Theodore Garland, Jr. y sus colegas iniciaron un experimento a largo plazo que implica la cría selectiva de ratones con altos niveles de actividad voluntaria en ruedas de ejercicio. [ 44 ] Este experimento continúa hasta el día de hoy (> 105 generaciones ). Los ratones de las cuatro líneas replicadas de "High Runner" evolucionaron para correr casi tres veces más revoluciones de la rueda de ejercicio por día en comparación con las cuatro líneas de control no seleccionadas, principalmente corriendo más rápido que los ratones de control en lugar de correr durante más minutos/día. Sin embargo, las líneas High Runner han evolucionado de maneras algo diferentes, con algunas enfatizando la velocidad de carrera versus la duración o viceversa, demostrando así "múltiples soluciones" [ 45 ] que parecen basarse en parte en características musculares evolucionadas. [ 46 ]

Ratón hembra con su camada, del experimento de selección de Garland.

Los ratones HR tienen una capacidad de carrera de resistencia elevada [ 47 ] y capacidad aeróbica máxima [ 48 ] cuando se prueban en una cinta rodante motorizada. También exhiben alteraciones en la motivación y el sistema de recompensa del cerebro . Los estudios farmacológicos apuntan a alteraciones en la función de la dopamina y el sistema endocannabinoide . [ 49 ] Las líneas High Runner se han propuesto como un modelo para estudiar el trastorno por déficit de atención con hiperactividad ( TDAH ) humano, y la administración de Ritalin reduce su actividad en la rueda aproximadamente a los niveles de los ratones de control. [ 50 ]

Selección multidireccional en topillos de banco

En 2005, Paweł Koteja, junto con Edyta Sadowska y colegas de la Universidad Jaguelónica (Polonia), iniciaron una selección multidireccional en un roedor no de laboratorio, el topillo rojo Myodes (= Clethrionomys) glareolus . [ 51 ] Los topillos se seleccionan por tres rasgos distintos, que desempeñaron papeles importantes en la radiación adaptativa de los vertebrados terrestres: alta tasa máxima de metabolismo aeróbico, propensión depredadora y capacidad herbívora. Las líneas aeróbicas se seleccionan por la tasa máxima de consumo de oxígeno alcanzada durante la natación a 38 °C; las líneas depredadoras, por un corto tiempo para atrapar grillos vivos ; las líneas herbívoras , por la capacidad de mantener la masa corporal cuando se alimentan con una dieta de baja calidad "diluida" con hierba seca en polvo. Se mantienen cuatro líneas replicadas para cada una de las tres direcciones de selección y otras cuatro como controles no seleccionados.

Tras aproximadamente 20 generaciones de cría selectiva, los topillos de las líneas aeróbicas desarrollaron una tasa metabólica inducida por la natación un 60 % mayor que la de los topillos de las líneas de control no seleccionadas. Aunque el protocolo de selección no impone una carga termorreguladora, tanto la tasa metabólica basal como la capacidad termogénica aumentaron en las líneas aeróbicas. [ 52 ] [ 53 ] Por lo tanto, los resultados han proporcionado cierto respaldo al "modelo de capacidad aeróbica" para la evolución de la endotermia en mamíferos.

Más del 85 % de los topillos depredadores capturan los grillos, en comparación con solo alrededor del 15 % de los topillos de control no seleccionados, y los capturan más rápido. El aumento del comportamiento depredador se asocia con un estilo de afrontamiento más proactivo (" personalidad "). [ 54 ]

Durante la prueba con dieta de baja calidad, los topillos herbívoros pierden aproximadamente 2 gramos menos de masa (aproximadamente el 10% de la masa corporal original) que los del grupo control. Los topillos herbívoros tienen una composición alterada del microbioma bacteriano en su ciego . [ 55 ] Por lo tanto, la selección ha resultado en la evolución de todo el holobioma, y ​​el experimento puede ofrecer un modelo de laboratorio de la evolución del hologenoma .

Biología sintética

La biología sintética ofrece oportunidades únicas para la evolución experimental, facilitando la interpretación de los cambios evolutivos mediante la inserción de módulos genéticos en genomas hospedantes y la aplicación de selección dirigida específicamente a dichos módulos. Los circuitos biológicos sintéticos insertados en el genoma de Escherichia coli [ 56 ] o la levadura Saccharomyces cerevisiae [ 57 ] se degradan (pierden función) durante la evolución en laboratorio. Con la selección adecuada, se pueden estudiar los mecanismos subyacentes a la recuperación evolutiva de la función biológica perdida. [ 58 ] La evolución experimental de células de mamíferos que albergan circuitos genéticos sintéticos [ 59 ] revela el papel de la heterogeneidad celular en la evolución de la resistencia a los fármacos, con implicaciones para la resistencia a la quimioterapia de las células cancerosas.

Controles en la evolución experimental

En la evolución experimental, las poblaciones de control son esenciales para distinguir las respuestas evolutivas específicas del tratamiento de la distribución de fondo de los posibles resultados. A diferencia de los experimentos biológicos tradicionales, donde a menudo se utiliza un único control no tratado para probar una hipótesis nula específica, las trayectorias evolutivas son inherentemente estocásticas y las líneas de control replicadas suelen divergir entre sí. Como resultado, normalmente se requieren múltiples poblaciones de control independientes para caracterizar el conjunto de resultados esperados en ausencia de una presión selectiva particular. [ 60 ] Esta distinción es especialmente importante en áreas como la evolución de la resistencia a los antimicrobianos y a los fármacos contra el cáncer, donde comparar las poblaciones tratadas con una amplia distribución de resultados evolutivos no tratados es esencial para interpretar las respuestas adaptativas (véase también Resistencia a los fármacos ).

Estudios a gran escala han demostrado una variación sustancial entre poblaciones replicadas, incluso en condiciones idénticas. Por ejemplo, experimentos de evolución de levaduras han demostrado que, si bien las poblaciones pueden compartir patrones generales de adaptación, las mutaciones y vías específicas involucradas a menudo varían de forma idiosincrásica entre réplicas, [ 61 ] frecuentemente con diferentes consecuencias evolutivas secundarias. [ 62 ] De manera similar, experimentos de evolución microbiana a largo plazo han revelado que las líneas replicadas a menudo siguen trayectorias fenotípicas paralelas, aunque difieren en las mutaciones subyacentes que permiten esos cambios. [ 63 ]

Dado que las poblaciones de control replicadas pueden divergir sustancialmente, su función no es proporcionar un único resultado de referencia esperado, sino definir la distribución de las trayectorias evolutivas posibles en condiciones neutras o de fondo. Esto permite a los investigadores determinar si los resultados mutacionales, fenotípicos o de aptitud observados en los grupos de tratamiento son estadísticamente distinguibles de la variabilidad natural de los procesos evolutivos.

Otros ejemplos

Los peces espinosos tienen especies marinas y de agua dulce, habiendo evolucionado estas últimas desde la última era glacial. Las especies de agua dulce pueden sobrevivir a temperaturas más frías. Los científicos realizaron pruebas para comprobar si podían reproducir esta evolución de tolerancia al frío manteniendo espinosos marinos en agua dulce fría. A los espinosos marinos les bastaron tres generaciones para evolucionar hasta alcanzar la mejora de 2,5 grados Celsius en la tolerancia al frío observada en los espinosos de agua dulce salvajes. [ 64 ]

Las células microbianas [ 65 ] y, más recientemente, las células de mamíferos [ 66 ] evolucionan en condiciones de limitación de nutrientes para estudiar su respuesta metabólica y diseñar células con características útiles.

Para la enseñanza

Debido a sus rápidos tiempos de generación, los microbios ofrecen la oportunidad de estudiar la microevolución en el aula. Diversos ejercicios con bacterias y levaduras enseñan conceptos que van desde la evolución de la resistencia [ 67 ] hasta la evolución de la multicelularidad [ 68 ] . Con la llegada de la tecnología de secuenciación de nueva generación, los estudiantes pueden realizar experimentos evolutivos, secuenciar los genomas evolucionados y analizar e interpretar los resultados [ 69 ] .

Para uso industrial

Laboratory synthetic evolution, not necessarily directed, is also used to develop new phenotypes in organisms used for biomanufacturing. Natural mutations can be complemented with methods that directly generate phenotypic diversity. With yeast, the generation of new phenotypes can be accelerated by manipulation at the transcription level: by stochastically introducing artificial transcription factors, globally altering the transcription machinery, CRISPR interference and activation. Also with yeast, transposons, loxP sequences, and highly error-prone orthogonal DNAP-DNA plasmid pairs can be used to accelerate the generation of mutations.[70]

See also

References

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