La paleontología molecular se refiere a la recuperación y análisis de ADN , proteínas , carbohidratos o lípidos y sus productos diagenéticos a partir de restos humanos, animales y vegetales antiguos. [1] [2] El campo de la paleontología molecular ha proporcionado importantes conocimientos sobre los eventos evolutivos, las diásporas de especies , el descubrimiento y la caracterización de especies extintas . Al aplicar técnicas de análisis molecular al ADN de los fósiles , se puede cuantificar el nivel de parentesco entre dos organismos para los que se ha recuperado ADN. [3]
Los avances en el campo de la paleontología molecular han permitido a los científicos abordar cuestiones evolutivas a nivel genético en lugar de depender únicamente de la variación fenotípica . Mediante el uso de diversas técnicas biotecnológicas como el aislamiento , la amplificación y la secuenciación del ADN [4], los científicos han podido obtener nuevos conocimientos ampliados sobre la divergencia y la historia evolutiva de innumerables organismos.
En febrero de 2021, los científicos informaron, por primera vez, la secuenciación de ADN de restos de animales , un mamut en este caso, de más de un millón de años, el ADN más antiguo secuenciado hasta la fecha. [5] [6]
Historia
Se dice que el estudio de la paleontología molecular comenzó con el descubrimiento por Abelson de aminoácidos de 360 millones de años conservados en conchas fósiles. [7] Sin embargo, Svante Pääbo es a menudo considerado el fundador del campo de la paleontología molecular. [8]
El campo de la paleontología molecular ha tenido varios avances importantes desde la década de 1950 y es un campo en continuo crecimiento. A continuación se muestra una línea de tiempo que muestra las contribuciones notables que se han realizado.
Cronología
mediados de la década de 1950: Abelson encontró aminoácidos conservados en conchas fósiles que tenían unos 360 millones de años. Se produjo la idea de comparar secuencias de aminoácidos fósiles con organismos existentes para poder estudiar la evolución molecular. [7]
Década de 1970: Los péptidos fósiles se estudian mediante análisis de aminoácidos . [9] Empiece a utilizar péptidos completos y métodos inmunológicos . [10]
Finales de la década de 1970: los paleobotánicos (también se pueden escribir como paleobotánicos) estudiaron moléculas de plantas fósiles bien conservadas. [11]
1984: La primera secuenciación exitosa del ADN de una especie extinta, la quagga , una especie parecida a la cebra. [1]
1991: Artículo publicado sobre la extracción exitosa de proteínas del hueso fósil de un dinosaurio, específicamente el Seismosaurus . [12]
2005: Los científicos resucitan el extinto virus de la influenza de 1918 . [13]
2006: Los segmentos de la secuencia de ADN nuclear de los neandertales comienzan a analizarse y publicarse. [18]
2007: Los científicos sintetizan todo el retrovirus endógeno humano extinto (HERV-K) desde cero. [14]
2010: Una nueva especie de homínido temprano, los denisovanos , descubierta a partir de genomas mitocondriales y nucleares recuperados de huesos encontrados en una cueva en Siberia. El análisis mostró que el espécimen de Denisovan vivió hace aproximadamente 41.000 años y compartió un ancestro común con los humanos modernos y los neandertales hace aproximadamente 1 millón de años en África. [15]
2013: Se secuencia con éxito el primer genoma completo de Neandertal. Se puede encontrar más información en el proyecto del genoma de Neanderthal . [dieciséis]
2013: Un espécimen de 400.000 años con ADN mitocondrial remanente secuenciado y se encuentra que es un ancestro común de los neandertales y denisovanos, Homo heidelbergensis . [17]
2015: Se informó sobre un diente fósil de 110.000 años de antigüedad que contenía ADN de denisovanos . [19] [20]
La quagga
La primera secuenciación exitosa del ADN de una especie extinta fue en 1984, a partir de un espécimen de museo de 150 años de antigüedad de quagga, una especie parecida a la cebra. [1] El ADN mitocondrial (también conocido como ADNmt) se secuenció a partir del músculo desecado del quagga y se encontró que difería en 12 sustituciones de bases del ADN mitocondrial de una cebra de montaña. Se concluyó que estas dos especies tenían un ancestro común hace 3-4 millones de años, lo que es consistente con la evidencia fósil conocida de la especie. [21]
Denisovanos
Los Denisovanos de Eurasia , una especie de homínidos relacionados con los neandertales y los humanos, fue descubierto como resultado directo de la secuenciación del ADN de un espécimen de 41.000 años recuperado en 2008. El análisis del ADN mitocondrial de un hueso del dedo recuperado mostró que el espécimen era genéticamente distinto tanto de los humanos como de los neandertales. Más tarde se descubrió que dos dientes y un hueso del dedo del pie pertenecían a diferentes individuos de la misma población. El análisis sugiere que tanto los neandertales como los denisovanos ya estaban presentes en Eurasia cuando llegaron los humanos modernos. [16] En noviembre de 2015, los científicos informaron haber encontrado un diente fósil que contenía ADN de denisovanos y estimaron su edad en 110.000 años. [19] [20]
Análisis de ADN mitocondrial
El mtDNA del hueso del dedo de Denisovan difiere del de los humanos modernos por 385 bases ( nucleótidos ) en la cadena de mtDNA de aproximadamente 16.500, mientras que la diferencia entre los humanos modernos y los neandertales es de alrededor de 202 bases. Por el contrario, la diferencia entre los chimpancés y los humanos modernos es de aproximadamente 1.462 pares de bases de ADNmt. [22] Esto sugirió un tiempo de divergencia hace alrededor de un millón de años. El ADNmt de un diente tenía una gran similitud con el del hueso del dedo, lo que indica que pertenecían a la misma población. [23] De un segundo diente, se recuperó una secuencia de mtDNA que mostró un número inesperadamente grande de diferencias genéticas en comparación con la encontrada en el otro diente y el dedo, lo que sugiere un alto grado de diversidad de mtDNA. Estos dos individuos de la misma cueva mostraron más diversidad de la que se ve entre los neandertales muestreados de toda Eurasia, y eran tan diferentes como los humanos modernos de diferentes continentes. [24]
Análisis del genoma nuclear
El aislamiento y la secuenciación del ADN nuclear también se ha logrado a partir del hueso del dedo de Denisova. Esta muestra mostró un grado inusual de conservación del ADN y un bajo nivel de contaminación. Pudieron lograr una secuenciación genómica casi completa, lo que permitió una comparación detallada con los humanos neandertales y modernos. A partir de este análisis, concluyeron que, a pesar de la aparente divergencia de su secuencia mitocondrial, la población Denisova junto con Neanderthal compartían una rama común del linaje que conducía a los humanos africanos modernos. El tiempo medio estimado de divergencia entre las secuencias de Denisovan y Neanderthal es de 640.000 años, y el tiempo entre ambas y las secuencias de los africanos modernos es de 804.000 años. Sugieren que la divergencia del ADNmt de Denisova se debe a la persistencia de un linaje purgado de las otras ramas de la humanidad a través de la deriva genética o bien a una introgresión de un linaje de homínidos más antiguo. [23]
Homo heidelbergensis
Homo heidelbergensis se descubrió por primera vez en 1907 cerca de Heidelberg, Alemania y más tarde también se encontró en otras partes de Europa, África y Asia. [25] [26] Sin embargo, no fue hasta 2013 que se encontró un espécimen con ADN recuperable, en un fémur de ~ 400.000 años encontrado en la Cueva de la Sima de los Huesos en España. Se encontró que el fémur contenía tanto ADNmt como ADN nuclear. Las mejoras en las técnicas de extracción de ADN y preparación de bibliotecas permitieron aislar y secuenciar con éxito el ADNmt; sin embargo, se encontró que el ADN nuclear estaba demasiado degradado en la muestra observada y también estaba contaminado con ADN de un antiguo oso de las cavernas ( Ursus deningeri ) presente en la cueva. [27] El análisis de ADNmt encontró un vínculo sorprendente entre el espécimen y los denisovanos, y este hallazgo planteó muchas preguntas. Se propusieron varios escenarios en un artículo de enero de 2014 titulado "Una secuencia del genoma mitocondrial de un homínido de la Sima de los Huesos", aclarando la falta de convergencia en la comunidad científica sobre cómo el Homo heidelbergensis se relaciona con otros grupos de homínidos conocidos. Un escenario plausible que propusieron los autores fue que el H. heidelbergensis era un antepasado tanto de los denisovanos como de los neandertales. [27] Los genomas nucleares completamente secuenciados tanto de los denisovanos como de los neandertales sugieren un ancestro común hace aproximadamente 700.000 años, y un investigador líder en el campo, Svante Paabo, sugiere que quizás este nuevo grupo de homínidos sea ese ancestro temprano. [17]
Aplicaciones
Descubrimiento y caracterización de nuevas especies
Las técnicas de paleontología molecular aplicadas a los fósiles han contribuido al descubrimiento y caracterización de varias especies nuevas, incluidos los Denisovanos y Homo heidelbergensis . Hemos podido comprender mejor el camino que tomaron los humanos mientras poblaban la tierra y qué especies estuvieron presentes durante esta diáspora .
Extinción
![An artist's color drawing of the Pyrenean ibex](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/commons/thumb/b/b4/Pyrenean_Ibex.png/170px-Pyrenean_Ibex.png)
Ahora es posible revivir especies extintas utilizando técnicas de paleontología molecular. Esto se logró por primera vez mediante la clonación en 2003 con la cabra montés de los Pirineos , un tipo de cabra salvaje que se extinguió en 2000. Se inyectaron núcleos de las células de la cabra montés de los Pirineos en huevos de cabra vaciados de su propio ADN y se implantaron en madres sustitutas de cabras. [28] La descendencia vivió solo siete minutos después del nacimiento, debido a defectos en sus pulmones. Se ha observado que otros animales clonados tienen defectos pulmonares similares. [29]
Hay muchas especies que se han extinguido como resultado directo de la actividad humana. Algunos ejemplos incluyen el dodo , el gran auk , el tigre de Tasmania , el delfín de río chino y la paloma migratoria . Una especie extinta puede revivirse mediante el reemplazo alélico [30] de una especie estrechamente relacionada que aún vive. Al tener que reemplazar solo unos pocos genes dentro de un organismo, en lugar de tener que construir el genoma de la especie extinta desde cero, podría ser posible recuperar varias especies de esta manera, incluso los neandertales. [ cita requerida ]
La ética en torno a la reintroducción de especies extintas es muy controvertida. Los críticos de devolver la vida a especies extintas sostienen que desviaría dinero y recursos limitados para proteger los problemas actuales de biodiversidad del mundo . [31] Con las tasas de extinción actuales aproximadas entre 100 y 1000 veces la tasa de extinción de fondo, [32] se teme que un programa de extinción podría disminuir las preocupaciones del público sobre la actual crisis de extinción masiva, si se cree que estas especies pueden simplemente volver a la vida. Como plantean los editores de un artículo de Scientific American sobre la extinción: ¿Deberíamos traer de vuelta al mamut lanudo solo para permitir que los elefantes se extingan mientras tanto? [31] El principal factor impulsor de la extinción de la mayoría de las especies en esta era (posterior al 10.000 a. C.) es la pérdida de hábitat, y traer de vuelta temporalmente una especie extinta no recreará el medio ambiente que alguna vez habitaron. [33]
Los defensores de la extinción, como George Church , hablan de muchos beneficios potenciales. Reintroducir una especie clave extinta, como el mamut lanudo , podría ayudar a reequilibrar los ecosistemas que alguna vez dependieron de ellos. Algunas especies extintas podrían generar amplios beneficios para los entornos que alguna vez habitaron, si regresaran. Por ejemplo, los mamuts lanudos pueden retrasar el derretimiento de la tundra rusa y ártica de varias maneras, como comer hierba muerta para que la hierba nueva pueda crecer y echar raíces, y romper periódicamente la nieve, sometiendo el suelo al Ártico. aire. Estas técnicas también podrían usarse para reintroducir la diversidad genética en una especie amenazada, o incluso introducir nuevos genes y rasgos para permitir que los animales compitan mejor en un entorno cambiante. [34]
Investigación y tecnología
Cuando se encuentra una nueva muestra potencial, los científicos normalmente primero analizan la preservación de células y tejidos utilizando técnicas histológicas y prueban las condiciones para la supervivencia del ADN. Luego intentarán aislar una muestra de ADN utilizando la técnica que se describe a continuación y realizarán una amplificación por PCR del ADN para aumentar la cantidad de ADN disponible para la prueba. A continuación, se secuencia este ADN amplificado. Se tiene cuidado de verificar que la secuencia coincida con los rasgos filogenéticos del organismo. [1] Cuando un organismo muere, se puede utilizar una técnica llamada datación de aminoácidos para envejecer el organismo. Inspecciona el grado de racemización del ácido aspártico , la leucina y la alanina dentro del tejido. A medida que pasa el tiempo, la relación D / L (donde "D" y "L" son imágenes especulares entre sí) aumenta de 0 a 1. [35] En muestras en las que la relación D / L de ácido aspártico es superior a 0,08, No se pueden recuperar secuencias de ADN antiguas (a partir de 1996). [36]
ADN mitocondrial frente a ADN nuclear
![An infographic contrasting inheritance of mitochondrial and nuclear DNA](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/commons/thumb/4/4e/Mitochondrial_DNA_versus_Nuclear_DNA.gif/320px-Mitochondrial_DNA_versus_Nuclear_DNA.gif)
El ADN mitocondrial (ADNmt) está separado del ADN nuclear. Está presente en orgánulos llamados mitocondrias en cada célula . A diferencia del ADN nuclear , que se hereda de ambos padres y se reorganiza en cada generación, una copia exacta del ADN mitocondrial se transmite de la madre a sus hijos e hijas. Los beneficios de realizar análisis de ADN con ADN mitocondrial es que tiene una tasa de mutación mucho menor que el ADN nuclear, lo que hace que rastrear linajes en la escala de decenas de miles de años sea mucho más fácil. Conociendo la tasa de mutación de base para el mtDNA, [37] (en los seres humanos esta tasa también se conoce como el reloj molecular mitocondrial humano ) se puede determinar la cantidad de tiempo que dos linajes han estado separados. Otra ventaja del mtDNA es que existen miles de copias de él en cada célula, mientras que solo existen dos copias de ADN nuclear en cada célula. [38] Todos los eucariotas , un grupo que incluye todas las plantas, animales y hongos, tienen ADNmt. [39] Una desventaja del mtDNA es que solo está representada la línea materna. Por ejemplo, un niño heredará 1/8 de su ADN de cada uno de sus ocho bisabuelos, sin embargo, heredará un clon exacto del ADNmt de su bisabuela materna. Esto es análogo a un niño que hereda solo el apellido de su bisabuelo paterno, y no una mezcla de los ocho apellidos.
Aislamiento
Hay muchas cosas a considerar al aislar una sustancia. En primer lugar, según de qué se trate y dónde se encuentre, existen protocolos que deben llevarse a cabo para evitar la contaminación y una mayor degradación de la muestra. [4] Luego, el manejo de los materiales generalmente se realiza en un área de trabajo físicamente aislada y bajo condiciones específicas (es decir, temperatura, humedad, etc. específicas) también para evitar la contaminación y una mayor pérdida de muestra. [4]
Una vez obtenido el material, según de qué se trate, existen diferentes formas de aislarlo y depurarlo. La extracción de ADN de fósiles es una de las prácticas más populares y existen diferentes pasos que se pueden seguir para obtener la muestra deseada. [4] El ADN extraído de fósiles sepultados en ámbar se puede tomar de muestras pequeñas y mezclar con diferentes sustancias, centrifugar , incubar y centrifugar nuevamente. [40] Por otro lado, la extracción de ADN de insectos se puede realizar triturando la muestra, mezclándola con tampón y sometiéndola a purificación a través de columnas de fibra de vidrio. [41] Al final, independientemente de cómo se aisló la muestra para estos fósiles, el ADN aislado debe poder someterse a amplificación . [4] [40] [41]
Amplificación
![An infographic showing the replication process of PCR](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/commons/thumb/a/ab/Polymerase_chain_reaction-en.svg/330px-Polymerase_chain_reaction-en.svg.png)
El campo de la paleontología molecular se benefició enormemente de la invención de la reacción en cadena de la polimerasa (PCR) , que permite hacer miles de millones de copias de un fragmento de ADN a partir de una única copia conservada del ADN. Uno de los mayores desafíos hasta este momento fue la extrema escasez de ADN recuperado debido a la degradación del ADN a lo largo del tiempo. [1]
Secuenciación
La secuenciación del ADN se realiza para determinar el orden de nucleótidos y genes. [42] Hay muchos materiales diferentes de los que se puede extraer el ADN. En los animales, el cromosoma mitocondrial se puede utilizar para el estudio molecular. Los cloroplastos se pueden estudiar en plantas como fuente primaria de datos de secuencia. [42]
![An evolutionary tree of mammals](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/commons/thumb/7/75/An_evolutionary_tree_of_mammals.svg/290px-An_evolutionary_tree_of_mammals.svg.png)
Al final, las secuencias generadas se utilizan para construir árboles evolutivos . [42] Los métodos para hacer coincidir conjuntos de datos incluyen: probabilidad máxima , evolución mínima (también conocida como unión de vecinos ) que busca el árbol con la longitud total más corta y el método de máxima parsimonia que encuentra el árbol que requiere la menor cantidad de cambios de estado de carácter. [42] Los grupos de especies definidos dentro de un árbol también pueden evaluarse posteriormente mediante pruebas estadísticas, como el método bootstrap , para ver si son realmente significativos. [42]
Limitaciones y desafíos
Las condiciones ambientales ideales para preservar el ADN donde se desecó y destapó el organismo son difíciles de conseguir, así como para mantener su condición hasta el análisis. El ADN nuclear normalmente se degrada rápidamente después de la muerte por procesos hidrolíticos endógenos , [36] por radiación UV, [1] y otros factores ambientales estresantes.
Además, se ha descubierto que las interacciones con los productos orgánicos de degradación del suelo circundante ayudan a preservar los materiales biomoleculares. [43] Sin embargo, también han creado el desafío adicional de poder separar los distintos componentes para poder realizar el análisis adecuado sobre ellos. [44] También se ha descubierto que algunas de estas averías interfieren con la acción de algunas de las enzimas utilizadas durante la PCR. [43]
Finalmente, uno de los mayores desafíos en la extracción de ADN antiguo, particularmente en el ADN humano antiguo, es la contaminación durante la PCR. Pequeñas cantidades de ADN humano pueden contaminar los reactivos utilizados para la extracción y PCR de ADN antiguo. Estos problemas pueden superarse con un cuidado riguroso en el manejo de todas las soluciones, así como del material de vidrio y otras herramientas utilizadas en el proceso. También puede ayudar si solo una persona realiza las extracciones, para minimizar los diferentes tipos de ADN presentes. [36]
Ver también
- ADN antiguo
- Proteína antigua
- Arqueogenética
- Fósiles
- Haplogrupos de ADN mitocondrial humano
- Haplogrupo de ADN del cromosoma Y humano
- Modelos de evolución del ADN
- Evolución molecular
- Paleobioquímica
- Paleobiología
- Paleobotánica
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