El experimento de evolución a largo plazo de E. coli ( LTEE ) es un estudio en curso de evolución experimental dirigido por Richard Lenski que ha estado rastreando cambios genéticos en 12 poblaciones inicialmente idénticas de bacterias asexuales Escherichia coli desde el 24 de febrero de 1988. [2] Las poblaciones alcanzadas el hito de 50.000 generaciones en febrero de 2010 [actualizar]. [3] Lenski realizó la transferencia número 10,000 del experimento el 13 de marzo de 2017. [4] Las poblaciones alcanzaron las 73,500 generaciones a principios de 2020, poco antes de ser congeladas debido a la pandemia de COVID-19. [5]
En el transcurso del experimento, Lenski y sus colegas han informado de una amplia gama de cambios fenotípicos y genotípicos en las poblaciones en evolución. Estos han incluido cambios que han ocurrido en las 12 poblaciones y otros que solo han aparecido en una o unas pocas poblaciones. Por ejemplo, las 12 poblaciones mostraron un patrón similar de rápida mejora en el estado físico que se desaceleró con el tiempo, tasas de crecimiento más rápidas y aumento del tamaño de las células. La mitad de las poblaciones han desarrollado defectos en la reparación del ADN que han causado fenotipos mutantes marcados por tasas elevadas de mutación. La adaptación más sorprendente informada hasta ahora es la evolución del crecimiento aeróbico en el citrato, que es inusual en E. coli , en una población en algún momento entre las generaciones 31.000 y 31.500. [6] [7]
Lenski tomó la decisión de detener el experimento el 9 de marzo de 2020 cuando su laboratorio cerró temporalmente como precaución contra la propagación de COVID19 . Todas las líneas de largo plazo se han almacenado a temperaturas ultrabajas hasta el momento en que se puedan descongelar para que continúe el experimento. [8]
El 4 de mayo de 2020, Lenski anunció una renovación de la subvención por 5 años a través del Programa de Investigación a Largo Plazo en Biología Ambiental (LTREB) de la National Science Foundation que apoya a LTEE. También anunció que el experimento sería transferido a la supervisión del Dr. Jeffrey E. Barrick, profesor asociado de Biociencias Moleculares en la Universidad de Texas en Austin, dentro de los próximos 5 años. [9] El Dr. Barrick había sido investigador postdoctoral con el Dr. Lenski y ha sido un importante contribuyente a la investigación basada en la LTEE. [9]
Enfoque experimental
El experimento de evolución a largo plazo fue diseñado como un medio abierto de examen empírico de las características centrales de la evolución . El experimento se inició con tres objetivos principales:
- Examinar la dinámica de la evolución, incluida la tasa de cambio evolutivo.
- Examinar la repetibilidad de la evolución.
- Comprender mejor la relación entre el cambio en los niveles fenotípico y genotípico . [10]
A medida que el experimento ha continuado, su alcance ha crecido a medida que han surgido nuevas preguntas en biología evolutiva que se pueden utilizar para abordar, a medida que la evolución de las poblaciones ha presentado nuevos fenómenos para estudiar y a medida que la tecnología y las técnicas metodológicas han avanzado. [11]
El uso de E. coli como organismo experimental ha permitido estudiar muchas generaciones y grandes poblaciones en un período de tiempo relativamente corto. Además, debido al uso prolongado de E. coli como organismo modelo principal en biología molecular , se dispuso de una amplia gama de herramientas, protocolos y procedimientos para estudiar los cambios a nivel genético, fenotípico y fisiológico. [12] Las bacterias también se pueden congelar y conservar mientras permanecen viables. Esto ha permitido la creación de lo que Lenski describe como un "registro fósil congelado" de muestras de poblaciones en evolución que se pueden revivir en cualquier momento. Este registro fósil congelado permite que las poblaciones se reinicien en casos de contaminación u otra interrupción en el experimento, y permite el aislamiento y la comparación de ejemplares vivos de clones ancestrales y evolucionados. Lenski eligió una cepa de E. coli que se reproduce solo asexualmente , carece de plásmidos que permitan la conjugación bacteriana y no tiene profagos viables . Como consecuencia, la evolución en el experimento ocurre solo por los procesos evolutivos centrales de mutación , deriva genética y selección natural . Esta asexualidad estricta también significa que los marcadores genéticos persisten en los linajes y clados por descendencia común , pero no pueden propagarse de otra manera en las poblaciones. [10]
Lenski decidió llevar a cabo el experimento con las bacterias cultivadas en un medio mínimo limitado en glucosa llamado DM25, [13] que fue inicialmente desarrollado por Bernard Davis para su uso en el aislamiento de mutantes auxotróficos de E. coli usando penicilina como agente selectivo. [14] [15] DM25 se complementa con una concentración baja de glucosa. [13] Lenski eligió esta concentración para simplificar el análisis de la evolución de las poblaciones al reducir la interferencia clonal , en la que múltiples versiones de alelos compiten en una población en evolución, al tiempo que reduce la posibilidad de evolución de interacciones ecológicas. [10] Esta concentración de glucosa utilizada soporta una población máxima de 500 millones de células del antepasado en un cultivo de 10 ml, aunque el máximo ahora varía entre las poblaciones evolucionadas. [14] DM25 también contiene una gran cantidad de citrato (aproximadamente 11 veces la concentración de glucosa), que originalmente fue incluido por Davis porque mejoró la eficiencia de eliminación de la penicilina durante sus experimentos, aunque ahora se sabe que ayuda en E. coli ' adquisición s de hierro en el medio. [14] [16]
Métodos
Las 12 poblaciones se mantienen en una incubadora a 37 ° C (99 ° F) en el laboratorio de Lenski en la Universidad Estatal de Michigan . Cada día, el 1% de cada población se transfiere a un matraz de medio de crecimiento DM25 fresco. La dilución significa que cada población experimenta 6.64 generaciones, o duplicaciones, cada día. Se congelan muestras grandes y representativas de cada población con glicerol como crioprotector a intervalos de 500 generaciones (75 días). Las bacterias de estas muestras permanecen viables y pueden revivirse en cualquier momento. Esta colección de muestras se conoce como el "registro fósil congelado" y proporciona una historia de la evolución de cada población a lo largo de todo el experimento. Las poblaciones también se examinan regularmente para detectar cambios en la aptitud media , y se realizan regularmente experimentos complementarios para estudiar desarrollos interesantes en las poblaciones. [17] A abril de 2016[actualizar], las poblaciones de E. coli se han estudiado durante más de 64.500 generaciones y se cree que han sufrido suficientes mutaciones espontáneas como para que cada posible mutación puntual en el genoma de E. coli haya ocurrido varias veces. [6]
Cepa fundadora
La cepa de E. coli que Lenski eligió para usar en el experimento de evolución a largo plazo se derivó de la "cepa Bc251", como se describe en un artículo de 1966 de Seymour Lederberg, a través de Bruce Levin, quien la había usado en un experimento de ecología bacteriana en 1972. Los rasgos genéticos definitorios de esta cepa fueron: T6 r , Str r , r - m - , Ara - (incapaz de crecer en arabinosa ). [2] Lenski designó la cepa fundadora original como REL606. Antes del comienzo del experimento, Lenski aisló una variante Ara + de la cepa en la que una mutación puntual en el operón ara había restaurado el crecimiento de la arabinosa, que designó como cepa REL607. Al comenzar el experimento de evolución a largo plazo, Lenski fundó seis poblaciones con seis Ara - colonias individuales de REL606. Estas poblaciones se conocen como Ara-1 a Ara-6. Lenski también fundó seis poblaciones más de seis colonias individuales Ara + de REL607. Estos se conocen como poblaciones Ara + 1 a Ara + 6. Las diferencias de marcadores permiten diferenciar las cepas en placas de tetrazolio arabinosa, en las que las colonias Ara - aparecen rojas, mientras que las colonias Ara + aparecen de blanco a rosa. A lo largo del experimento, cada población ha acumulado un gran número de mutaciones distintas, lo que permite más medios para identificar cepas por su población de origen.
Resultados
Cambios en la forma física
Gran parte del análisis del experimento se ha ocupado de cómo ha cambiado la aptitud de las poblaciones en relación con su cepa ancestral. Todas las poblaciones mostraron un patrón de rápido aumento en la aptitud relativa durante las primeras generaciones, y este aumento se desaceleró con el tiempo. En 20.000 generaciones, las poblaciones crecieron aproximadamente un 70% más rápido que la cepa ancestral. [10] Este aumento y desaceleración del aumento ha continuado en las generaciones posteriores. Un estudio de 2013 de Wiser et al. informó una mejora continua en 50.000 generaciones en relación con las muestras aisladas en 40.000 generaciones. Descubrieron que el aumento de la aptitud se ajustaba a un modelo de ley de potencia mucho mejor que los modelos hiperbólicos que se habían utilizado anteriormente. Como un modelo de ley de potencia describe un aumento cada vez más lento que no tiene límite superior, mientras que un modelo hiperbólico implica un límite estricto, el trabajo sugirió que el aumento continuaría sin límite a medida que se fijaran mutaciones de beneficio progresivamente menores en las poblaciones. [20] Otros trabajos publicados en 2015 informaron los resultados de más de 1100 nuevos ensayos de aptitud que examinaron los cambios de aptitud a lo largo de 60.000 generaciones. Una vez más, los datos se ajustan al modelo de ley de potencia propuesto y, de hecho, se ajustan a las predicciones del modelo a partir de datos anteriores. Estos resultados sugieren que, contrariamente al pensamiento anterior, la adaptación y la divergencia adaptativa pueden aumentar potencialmente de forma indefinida, incluso en un entorno constante. [21] [22] [23]
Evolución del genoma
De las 12 poblaciones, hasta ahora se ha informado que seis han desarrollado defectos en su capacidad para reparar el ADN , lo que aumenta enormemente la tasa de mutación en esas cepas. [7] [24] [25] Aunque se cree que las bacterias en cada población han generado cientos de millones de mutaciones durante las primeras 20,000 generaciones, Lenski ha estimado que dentro de este marco de tiempo, solo de 10 a 20 mutaciones beneficiosas lograron la fijación en cada población, con menos de 100 mutaciones puntuales totales (incluidas las mutaciones neutrales ) que alcanzan la fijación en cada población. [10] En 2009, Barrick et al. informó de los resultados de las secuencias del genoma de múltiples puntos de tiempo en la población Ara-1. Descubrieron que, a diferencia de la tasa decreciente de mejora de la aptitud física, la acumulación de mutaciones era lineal y similar a un reloj, aunque varias líneas de evidencia sugerían que gran parte de la acumulación era beneficiosa, en lugar de neutral. [26]
Evolución del aumento del tamaño de las células en las doce poblaciones.
Las doce poblaciones experimentales muestran un aumento en el tamaño de la celda al mismo tiempo que una disminución en la densidad de población máxima y, en muchas de las poblaciones, una forma de celda más redondeada. [27] Este cambio fue en parte el resultado de una mutación que cambió la expresión de un gen para una proteína de unión a penicilina , lo que permitió a las bacterias mutantes superar a las bacterias ancestrales en las condiciones del experimento de evolución a largo plazo. Sin embargo, aunque esta mutación aumentó la aptitud en estas condiciones, también aumentó la sensibilidad de las bacterias al estrés osmótico y disminuyó su capacidad para sobrevivir períodos prolongados en cultivos en fase estacionaria. [27]
Especialización ecológica
A lo largo del experimento, las poblaciones han evolucionado para especializarse en el recurso de glucosa en el que crecen. Esto se describió por primera vez en 2000, cuando Cooper y Lenski demostraron que todas las poblaciones habían experimentado el deterioro de las funciones metabólicas no utilizadas después de 20.000 generaciones, lo que restringía la gama de sustancias en las que podían crecer las bacterias. Su análisis sugirió que esta descomposición se debió a la pleiotropía antagonista , en la que las mutaciones que mejoraron la capacidad de crecer en glucosa habían reducido o eliminado la capacidad de crecer en otras sustancias. [28] Un estudio posterior de Leiby y Marx que utilizó técnicas más avanzadas mostró que gran parte de la descomposición que Cooper y Lenski habían identificado eran artefactos experimentales, que la pérdida de funciones no utilizadas no era tan extensa como se pensaba en un principio y que algunas funciones no utilizadas habían mejorado. . Además, concluyeron que las pérdidas metabólicas no se debían a la pleiotropía antagónica, sino a la acumulación neutra de mutaciones en porciones no utilizadas del genoma, lo que sugiere que la adaptación a un entorno simple podría no conducir necesariamente a la especialización. [29]
Evolución de polimorfismo equilibrado y ecosistemas simples.
Se identificaron dos variantes distintas, S y L, en la población denominada Ara-2 a las 18.000 generaciones en función de su formación de colonias pequeñas y grandes, respectivamente. [30] Los clones de los tipos S y L podrían coexistir de forma estable en cocultivo entre sí, lo que indica que ocupaban nichos distintos en la población. Esto fue verificado por el hallazgo de que el tipo L tenía una ventaja durante el crecimiento sobre la glucosa, pero que el S tenía una ventaja durante la fase estacionaria, después de que la glucosa se había agotado. Se descubrió que los dos tipos habían evolucionado inicialmente antes de las 6.000 generaciones y luego coexistieron a partir de entonces. [30] El análisis filogenético de clones de los dos tipos aislados de diferentes generaciones demostró que los tipos S y L pertenecían a linajes distintos y coexistentes en la población, y podrían estar experimentando una especiación incipiente. [31]
Evolución del uso de citrato aeróbico en una población
Fondo
E. coli normalmente no puede crecer aeróbicamente con citrato debido a la incapacidad de expresar un transportador de citrato cuando hay oxígeno presente. [33] Sin embargo, E. coli tiene un ciclo completo del ácido cítrico y, por lo tanto, metaboliza el citrato como intermediario durante el crecimiento aeróbico en otras sustancias, incluida la glucosa. La mayoría de E. coli puede crecer anaeróbicamente en citrato por fermentación , si se dispone de un cosustrato como la glucosa para proporcionar poder reductor. [6] [33] [34] [35] El crecimiento anaeróbico es posible debido a la expresión de un gen antiportador transmembrana citrato-succinato, citT , que se identificó por primera vez en 1998. Este gen está corregulado con otros genes involucrados en fermentación de citrato que se encuentra en el operón cit , que se enciende solo cuando no hay oxígeno. [33] [36]
La incapacidad para crecer aeróbicamente en citrato, referido como un Cit - fenotipo, se considera una característica definitoria de E. coli como especie, y que ha sido un medio valioso para la diferenciación E. coli de patógeno Salmonella . Aunque se han aislado cepas Cit + de E. coli de muestras ambientales y agrícolas, en todos estos casos, se encontró que el rasgo se debía a la presencia de un plásmido que porta un transportador de citrato extraño. [37] Hall informó de un único mutante espontáneo Cit + de E. coli en 1982. [38] Este mutante había sido aislado durante una selección prolongada para el crecimiento de otra sustancia nueva en un caldo de crecimiento que también contenía citrato. El análisis genético de Hall indicó que la mutación subyacente era compleja, pero finalmente no pudo identificar los cambios precisos o los genes involucrados, lo que lo llevó a plantear la hipótesis de la activación de un gen transportador críptico. [38] Las regiones del genoma en las que Hall pudo acotar las ubicaciones de los cambios no corresponden a la ubicación conocida del gen citT identificado 16 años después, ni las características fisiológicas en los ensayos de transporte de los mutantes Cit + de Hall coinciden con las esperado para la expresión aeróbica del transportador CitT. [37] [39]
Cit + evoluciona en la LTEE
En 2008, el equipo de Lenski, dirigido por Zachary D. Blount , informó que la capacidad de crecer aeróbicamente con citrato había evolucionado en una población. Alrededor de la generación 33,127, se observó un aumento espectacular de la turbidez en la población denominada Ara-3. Descubrieron que la población contenía clones que podían crecer aeróbicamente con citrato (Cit + ). Esta capacidad metabólica permitió que la población creciera varias veces más que antes, debido a la gran cantidad de citrato presente en el medio. El examen de muestras fósiles congeladas de las poblaciones mostró que los clones de Cit + podrían aislarse ya en 31.500 generaciones. Se encontró que las variantes de Cit + en la población poseían una serie de marcadores genéticos exclusivos de la población Ara-3; esta observación excluyó la posibilidad de que los clones fueran contaminantes, en lugar de mutantes espontáneos. En una serie de experimentos que "reprodujeron" la cinta de la evolución de Ara-3 de Cit , clones aislados de muestras congeladas en varios momentos de la historia de la población, demostraron que era más probable que la capacidad de crecer aeróbicamente con citrato volviera a evolucionar. en un subconjunto de clones evolucionados genéticamente puros. En estos experimentos, observaron 19 instancias nuevas e independientes de re-evolución de Cit + , pero solo cuando partían de clones aislados después de la generación 20.000. Las pruebas de fluctuación mostraron que los clones de esta generación y posteriores mostraron una tasa de mutación del rasgo Cit + que fue significativamente más alta que la tasa ancestral. Incluso en estos clones posteriores, la tasa de mutación a Cit + fue del orden de una aparición por trillón de divisiones celulares. [6]
Lenski y sus colegas concluyeron que la evolución de la función Cit + en esta población surgió debido a una o más mutaciones tempranas, posiblemente no adaptativas, "potenciadoras" que aumentaron la tasa de mutación a un nivel accesible. Los datos sugirieron que el uso de citrato implicaba al menos dos mutaciones posteriores a estas mutaciones "potenciadoras". De manera más general, los autores sugieren que estos resultados indican, siguiendo el argumento de Stephen Jay Gould , "que la contingencia histórica puede tener un impacto profundo y duradero" en el curso de la evolución. [6] Estos hallazgos han llegado a ser considerados un ejemplo significativo del impacto de la contingencia histórica en la evolución. [14] [40] [41]
Análisis genómico del rasgo Cit + e implicaciones para la innovación evolutiva
En 2012, Lenski y su equipo informaron los resultados de un análisis genómico del rasgo Cit + que arrojó luz sobre la base genética y la historia evolutiva del rasgo. Los investigadores habían secuenciado los genomas completos de veintinueve clones aislados de varios puntos de tiempo en la historia de la población Ara-3. Utilizaron estas secuencias para reconstruir la historia filogenética de la población; esta reconstrucción mostró que la población se había diversificado en tres clados por 20.000 generaciones. Las variantes de Cit + habían evolucionado en uno de estos, al que llamaron Clado 3. Los clones que se habían encontrado potenciados en investigaciones anteriores se distribuyeron entre los tres clados, pero estaban sobrerrepresentados en el Clado 3. Esto llevó a los investigadores a concluir que ha habido al menos dos mutaciones potenciadoras implicadas en la evolución de Cit + . [7]
Los investigadores también encontraron que todos los clones de Cit + tenían mutaciones en las que se duplicaba o amplificaba un segmento de ADN de 2933 pares de bases. El segmento duplicado contenía el gen citT para la proteína transportadora de citrato utilizada en el crecimiento anaeróbico sobre citrato. La duplicación es en tándem y dio como resultado copias que se encontraban cara a cara entre sí. Esta nueva configuración colocó una copia del citT previamente silencioso y no expresado bajo el control del promotor del gen rnk adyacente , que dirige la expresión cuando hay oxígeno presente. Este nuevo módulo rnk-citT produjo un patrón regulador novedoso para citT , activando la expresión del transportador de citrato cuando había oxígeno presente y, por lo tanto, permitió el crecimiento aeróbico en el citrato. [7]
Se demostró que el movimiento de este módulo rnk-citT en el genoma de un clon Cit - potenciado era suficiente para producir un fenotipo Cit + . Sin embargo, el fenotipo Cit + inicial conferido por la duplicación fue muy débil y solo otorgó un beneficio de aptitud de ~ 1%. Los investigadores encontraron que la cantidad de copias del módulo rnk-citT tenía que aumentarse para fortalecer el rasgo Cit + lo suficiente como para permitir que las bacterias crezcan bien en el citrato. Otras mutaciones después de que la bacteria Cit + se volvió dominante en la población continuaron acumulando un crecimiento mejorado en el citrato.
Los investigadores concluyeron que la evolución del rasgo Cit + ocurrió en tres fases distintas: (1) mutaciones acumuladas que aumentaron la tasa de mutación a Cit + , (2) el rasgo en sí apareció en una forma débil y (3) el rasgo fue mejorado por mutaciones posteriores. Blount y col. sugirió que este patrón podría ser típico de cómo evolucionan los rasgos novedosos en general, y propuso un modelo de innovación evolutiva de tres pasos:
- Potenciación : se desarrolla un trasfondo genético en el que un rasgo es mutacionalmente accesible, lo que hace posible la evolución del rasgo.
- Actualización : ocurre una mutación que produce el rasgo, haciéndolo manifiesto, aunque probablemente en una forma débil.
- Refinamiento : una vez que existe el rasgo, si proporciona un beneficio selectivo, se acumularán mutaciones que mejoran el rasgo, haciéndolo efectivo. Esta fase es abierta y continuará mientras surjan mutaciones de refinamiento y el rasgo siga siendo beneficioso. [7] [14]
Este modelo ha sido aceptado en biología evolutiva. En 2015, el paleontólogo Douglas Erwin sugirió una modificación a un modelo de cuatro pasos para reflejar mejor una posible distinción entre novedad evolutiva e innovación evolutiva, y para resaltar la importancia de las condiciones ambientales: potenciación, generación de nuevos fenotipos (actualización), refinamiento adaptativo y explotación (conversión de una novedad en una innovación a medida que se vuelve importante para el establecimiento ecológico de los organismos poseedores). [43]
Investigación de potenciación
En 2014, un equipo de investigación dirigido por Eric Quandt en el laboratorio de Jeffrey Barrick en la Universidad de Texas en Austin describió la aplicación de una nueva técnica llamada Recombinación y secuenciación del genoma recursivo (REGRES) para identificar mutaciones potenciadoras entre las 70 presentes en el Ara -3 linaje que evolucionó a Cit + . [44] Este método utiliza múltiples rondas de un proceso en el que F plásmido basado conjugación entre un 33,000 generación Cit + clon, CZB154, y la Cit - clon fundador de la LTEE a mutaciones de purga no requeridos para la manifestación de una forma débil o fuerte del rasgo Cit + , al que se refieren como Cit ++ . Descubrieron que el módulo rnk-citT responsable del cambio fenotípico a Cit + era suficiente para producir un fenotipo Cit + débil en el antepasado. También identificaron una mutación que había ocurrido en el linaje que conducía a CZB154 después de la evolución inicial de Cit + que confería un fenotipo Cit ++ fuerte en el ancestro sin ninguna mutación excepto el módulo rnk-citT . Esta mutación, que se encuentra en la región reguladora de un gen llamado dctA , provocó un aumento masivo en la expresión del transportador DctA , que funciona para importar dicarboxilatos C 4 a la célula. Descubrieron que este aumento de la expresión de DctA permitía a las células Cit + reabsorber succinato , malato y fumarato liberados en el medio por el transportador CitT durante la importación de citrato. Identificaron una mutación similar en los clones de Cit ++ en la población Ara-3 que aumentó la expresión de DctA al restaurar la función de un gen que la regula, dcuS , que había sido desactivado en el clon ancestral. Quandt y col. concluyó que la mutación dctA no estaba involucrada en la potenciación, sino en el refinamiento. Esto los llevó a sugerir que la evolución de Cit + en la población Ara-3 podría haber estado supeditada a un trasfondo genético y una ecología específica de la población que permitió que las variantes tempranas y débiles de Cit + persistieran en la población el tiempo suficiente para que surgieran mutaciones de refinación. y hacen que el crecimiento en citrato sea lo suficientemente fuerte como para proporcionar un beneficio de aptitud significativo.
Quandt y sus colegas publicaron posteriormente hallazgos que identificaron definitivamente una mutación que potenció la evolución de Cit + . [45] Esta mutación estaba en el gen gltA , que codifica la citrato sintasa , una enzima involucrada en el flujo de carbono en el ciclo del ácido cítrico . Tuvo el efecto de aumentar la actividad de la citrato sintasa y demostraron que permitía un mejor crecimiento en acetato . Además, con la gltA mutación, la RNK-CITT módulo que hace que el Cit + rasgo tiene un efecto de la aptitud de neutro a ligeramente beneficioso, mientras que, sin ella, el módulo era fuertemente perjudicial. Por tanto, la mutación de gltA parece haber permitido que las variantes de Cit + débiles y tempranas persistieran en la población hasta que pudieran producirse mutaciones de refinamiento posteriores, de acuerdo con sus conclusiones anteriores. Después de que evolucionara un fuerte fenotipo Cit ++ , el aumento de la actividad citrato sintasa se volvió perjudicial. Los investigadores encontraron que mutaciones posteriores en gltA contrarrestaron la primera mutación, reduciendo la actividad de la citrato sintasa y mejorando aún más el crecimiento del citrato. Concluyeron que la serie de mutaciones en gltA primero potenció y luego refinó el crecimiento en citrato. También sugirieron que el linaje en el que surgió Cit + podría haber ocupado un nicho en Ara-3 basado en el crecimiento en acetato, y que las mutaciones potenciadoras que llevaron a la evolución de Cit + en Ara-3 fueron originalmente adaptativas para el uso de acetato.
Investigación de la ecología post-Cit + y la diversidad persistente
Una pequeña subpoblación de células Cit - incapaces de crecer en citrato y pertenecientes a un clado separado persistió en la población después de que las células Cit + se volvieran dominantes. Los primeros hallazgos mostraron que esta diversidad se debía en parte a que las células Cit - crecían mejor con la glucosa en el medio. [6] Turner y col. Más tarde descubrió que otro factor detrás de la coexistencia era que las células Cit - desarrollaron la capacidad de alimentarse de forma cruzada con la mayoría Cit + . Demostraron que las células Cit + liberan succinato , malato y fumarato durante el crecimiento en citrato, ya que el transportador CitT bombea estas sustancias fuera de la célula mientras bombea citrato a la célula. Las células Cit - habían desarrollado rápidamente la capacidad de crecer en estas sustancias debido a una mutación que restauró la expresión de una proteína transportadora apropiada que estaba en silencio en el ancestro. [46]
El Cit - subpoblación finalmente fue extinguido en la población de entre 43.500 y 44.000 generaciones. Esta extinción se demostró que no sea debido a la Cit + mayoría evolucionando para ser capaz de invadir el nicho ocupado por el Cit - minoritaria. De hecho, los clones de Cit - podrían invadir las poblaciones de Cit + después del evento de extinción. Además, en un experimento en el que reiniciaron veinte réplicas de la población Ara-3 de la muestra congelada 500 generaciones antes de la extinción, Turner et al. encontró que la subpoblación Cit - no se había extinguido en ninguna de las réplicas después de 500 generaciones de evolución. Una de estas réplicas se continuó durante 2.500 generaciones, durante las cuales Cit - continuó coexistiendo. Los investigadores concluyeron que la extinción de Cit - se había debido a alguna "perturbación ambiental rara" desconocida, similar a la que puede afectar a las poblaciones naturales. [47] La réplica final se integró en el experimento principal de LTEE, convirtiéndose en la decimotercera población, Ara-7. [48]
Críticas a los hallazgos del uso de citrato
Otros investigadores han experimentado en la evolución de E. coli aeróbica que utiliza citrato . Dustin Van Hofwegen et al., Trabajando en el laboratorio del proponente pseudocientífico del diseño inteligente Scott Minnich , pudieron aislar 46 mutantes independientes de E. coli que utilizan citrato en solo 12 a 100 generaciones utilizando una selección muy prolongada bajo inanición, durante la cual las bacterias muestrearía más mutaciones más rápidamente. [49] En su investigación, la secuenciación del ADN genómico reveló una amplificación de los loci citT y dctA , y el reordenamiento del ADN era la misma clase de mutaciones identificadas en el experimento de Richard Lenski y su equipo. Llegaron a la conclusión de que la rareza del mutante que utiliza citrato en la investigación de Lenski fue probablemente el resultado de las condiciones experimentales selectivas utilizadas por su equipo en lugar de ser un evento de especiación evolutiva único. [49]
John Roth y Sophie Maisnier-Patin revisaron los enfoques tanto en las mutaciones retardadas del equipo de Lenski como en las mutaciones rápidas del equipo de Van Hofweges en E. coli . Argumentan que ambos equipos experimentaron la misma secuencia de potenciación, actualización y refinamiento que condujeron a variantes similares de Cit + . [50] Según ellos, el período de menos de un día durante el cual el uso de citrato estaría bajo selección, seguido de una dilución de 100 veces, y un período de crecimiento de la glucosa que no se seleccionaría para el uso de citrato, finalmente redujo la probabilidad de E. coli es capaz de acumular mutaciones adaptativas tempranas de un período de selección al siguiente. [50] Por otro lado, el equipo de Van Hofwegen permitió un período de selección continuo de 7 días, lo que produjo un desarrollo más rápido de E. coli que usa citrato . Roth y Maisnier-Patin sugieren que la dilución en serie de E. coli y el corto período de selección para el uso de citrato en las condiciones del LTEE impidieron perpetuamente que cada generación de E. coli alcanzara las siguientes etapas de utilización de citrato aeróbico. [50]
En respuesta, Blount y Lenski reconocen que el problema no está en los experimentos o los datos, sino en las interpretaciones hechas por Van Hofwegen et al. y Maisnier-Patin y Roth. [51] Lenski señala que la rápida evolución de Cit + no fue necesariamente inesperada, ya que su equipo también pudo producir múltiples mutantes Cit + en unas pocas semanas durante los experimentos de repetición que informaron en el artículo de 2008 en el que su equipo describió por primera vez la evolución. del uso de citrato aeróbico en el LTEE. [52] Además, Lenski critica la descripción de Van Hofwegen et al. De la evolución inicial de Cit + como un "evento de especiación" al señalar que el LTEE no fue diseñado para aislar mutantes que usan citrato o para hacer frente a la especiación, ya que en En su artículo de 2008, dijeron que "convertirse en Cit + era solo un primer paso en el camino hacia una posible especiación" y, por lo tanto, no proponían que los mutantes de Cit + fueran una especie diferente, sino que la especiación podría ser una consecuencia eventual de la evolución del rasgo. . [52] Lenski reconoce que los científicos, incluidos él y su equipo, a menudo utilizan la jerga y la jerga abreviada cuando discuten la especiación, en lugar de escribir con más cuidado y precisión sobre el tema, y esto puede causar problemas. [52] Sin embargo, señala que los biólogos evolutivos generalmente consideran que la especiación es un proceso y no un evento. [52] También critica a Van Hofwegen et al. y Roth y Maisnier-Patin por plantear "falsas dicotomías" sobre el complejo concepto de contingencia histórica. Argumenta que la contingencia histórica significa que la historia importa, y que su artículo de 2008 presentaba datos que mostraban que la evolución de Cit + en la LTEE dependía de mutaciones que se habían acumulado antes. Concluye que "... la contingencia histórica fue invocada y demostrada en un contexto específico, a saber, el de la emergencia de Cit + en la LTEE; no significa que la emergencia de Cit + sea históricamente contingente en otros contextos experimentales, ni para que importa que otros cambios en el LTEE son históricamente contingentes; de hecho, algunos otros cambios evolucionados en el LTEE han sido altamente predecibles y no (o al menos no obviamente) dependientes de mutaciones previas en las poblaciones ". [52]
Ver también
- Evolución experimental
- Experimento a largo plazo
Referencias
- ^ Pennisi, Elizabeth (14 de noviembre de 2013). "El hombre que embotelló la evolución". Ciencia . 342 (6160): 790–793. Código bibliográfico : 2013Sci ... 342..790P . doi : 10.1126 / science.342.6160.790 . PMID 24233702 .
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Otras lecturas
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enlaces externos
- Sitio del proyecto de evolución experimental a largo plazo de E. coli
- Las bacterias hacen un cambio evolutivo importante en el laboratorio Bob Holmes New Scientist 9 de junio de 2008
- Evolución: pasado, presente y futuro Richard Lenski
- Lista de publicaciones sobre el experimento
- Publicación en línea de un artículo sobre la rápida evolución de la utilización de citrato