La vida en rosa: Lenski, citrato y BioLogos

Michael Behe 13 de noviembre de 2012 | Permalink

Los lectores de mis entradas saben que soy un gran admirador del Profesor Richard Lenski, microbiólogo en la Universidad Estatal de Michigan y miembro de la Academia Nacional de las Ciencias. Durante las últimas décadas ha estado dirigiendo el más grande experimento de evolución en laboratorio que jamás se ha intentado. Criando continuamente la E. coli en matraces, ha ido siguiendo cambios evolutivos en esta bacteria durante más de 50.000 generaciones (equivalente a aproximadamente un millón de años para animales grandes). Aunque desde luego Lenski no es un proponente del diseño inteligente, su trabajo nos permite ver lo que la evolución realmente produce cuando tiene los recursos de una gran cantidad de organismos durante una cantidad sustancial de generaciones. En lugar de especular, Lenski y sus colaboradores han observado las operaciones de la mutación y de la selección. Y los proponentes del D.I. deberíamos estarle sumamente agradecidos por ello.

En un manuscrito publicado hace pocos años en la publicación Quarterly Review of Biology (Behe 2010), analicé resultados de evolución en laboratorio durante las últimas cuatro décadas hasta aquel momento, incluyendo los de Lenski. Su laboratorio había expuesto claramente que las mutaciones aleatorias y la selección habían mejorado la bacteria con el tiempo, según medición por la cantidad de progenie que podía producir en un período determinado de tiempo. Él demostraba sin duda alguna que hay mutaciones beneficiosas y que pueden difundirse rápidamente en una población de organismos. Sin embargo, cuando finalmente el laboratorio de Lenski identificó las mutaciones a nivel del ADN (una difícil tarea), surgió la sorpresa de que muchas de las mutaciones beneficiosas resultaron ser degradantes. En otras palabras, que la rotura o deleción de algunos genes o elementos reguladores génicos preexistentes de modo que ya no funcionasen servían realmente de ayuda al organismo bajo las condiciones en las que se cultivaba. Otras mutaciones beneficiosas alteraban genes o elementos reguladores preexistentes hasta cierto punto.

Lo llamativo era lo que no se veía en su trabajo: mutaciones beneficiosas que fuesen resultado de la construcción de lo que yo designo como nuevos Elementos Codificados Funcionales, o «ECFs». A grandes rasgos, un ECF es una secuencia de ADN que afecta a la producción o al procesado de un gen o de un producto génico (véase mi reseña para una definición más rigurosa). En suma: se habían logrado mejoras rompiendo genes existentes o manipulándolos de formas menores, pero no produciendo nuevos genes o elementos reguladores. En base de esta información, formulé «La Primera Regla de la Evolución Adaptativa»: Romper o amortiguar cualquier elemento codificado funcional la pérdida del cual proporcionará una ganancia neta en aptitud. Lo menos que se puede decir es que esta Primera Regla no es lo que sería de esperar en un proceso, como el de la evolución darwinista, que se pregona como capaz de construir una maquinaria molecular asombrosamente sofisticada.

Antes que se publicase mi reseña, el laboratorio de Lenski observó en sus experimentos una cepa mutante que podía metabolizar citrato en presencia de oxígeno, lo que no puede hacer la E. coli no mutada. (Blount et al. 2008) (Pero es importante observar que la bacteria sí puede metabolizar citrato en ausencia de oxígeno.) Esto permitía a la bacteria mutada vencer en la competencia a sus parientes, porque el medio de crecimiento contenía mucho citrato, así como oxígeno. Este resultado era enigmático, y se pregonó como una innovación fundamental, pero en aquel tiempo el laboratorio de Lenski no pudo identificar a nivel de ADN las mutaciones exactas que llevaron a tal cambio.

Ahora lo han conseguido. En una reciente comunicación publicada en Nature (Blount et al. 2012) informan de las múltiples mutaciones que confieren e incrementan la capacidad de transportar citrato en una atmósfera que contiene oxígeno. Dividen conceptualmente las mutaciones en tres categorías: 1) potenciación; 2) plasmación; y 3) refinado. La «actualización» es la designación que dan a la mutación que confiere primero una capacidad débil de transportar citrato a la E. coli de laboratorio. (Resulta que la bacteria carece sólo de una proteína para transportar citrato adentro de la célula en presencia de oxígeno; todas las demás enzimas necesarias para la adicional metabolización del citrato ya están presentes.) El gen para el transportador de citrato, citT, que funciona en ausencia de oxígeno, se encuentra directamente más arriba de los genes para dos otras proteínas que tienen promotores activos en presencia de oxígeno. Una duplicación de un segmento de esta región situó por feliz casualidad el gen citT al lado de uno de estos promotores, de modo que el gen citT pudo así expresarse en presencia de oxígeno. La duplicación génica es un tipo de mutación bastante común, de modo que este resultado, aunque demandó mucha y cuidadosa investigación para su identificación, no es sorprendente.

Con el tiempo, el mutante mejoró en el uso del citrato, lo que los autores designan como «refinado». Una investigación posterior desveló que ello se debía a múltiples duplicaciones de la región génica del mutante, de hasta 3 a 9 copias. Una vez más, la duplicación génica es un proceso bastante común, de modo que, una vez más, no es sorprendente. En otro experimento, Lenski y sus colaboradores expusieron que el aumento de la concentración del gen transportador de citrato era suficiente por sí mismo para explicar la mayor capacidad de E. coli de crecer sobre citrato. No se necesitaron otras mutaciones.

Una etapa más misteriosa de todo el proceso es lo que el grupo designó «potenciación». Resulta que la E. coli original con la que comenzaron hace décadas no podía beneficiarse de la duplicación génica que yuxtapuso un gen citT con un promotor tolerante al oxígeno. Antes que pudiera beneficiarse, tenía que darse una mutación preliminar en la bacteria en alguna otra región que la que contenía los genes del metabolismo del citrato. Pero Lenski y sus colaboradores no podían determinar exactamente de qué mutación se trataba. Sin embargo, examinaron la bacteria buscando mutaciones que pudieran contribuir a la potenciación, y especularon que «Una mutación en arcB, que codifica una quinasa histidina, es digna de atención porque la incapacitación de este gen causa la upregulación del ciclo de ácido tricarboxílico». (Intentaron poner a prueba esta hipótesis, pero no lo consiguieron.) En otras palabras, la «potenciación» puede involucrar la degradación de un gen no relacionado.

El laboratorio de Lenski ha realizado una inmensa cantidad de trabajo cuidadoso, y merece muchos elogios. Pero la pregunta del millón, totalmente separada, es: ¿qué desvelan los resultados acerca de la capacidad del mecanismo darwinista? La respuesta es que no demuestran que sea capaz de nada más que lo que ya se sabía. Por ejemplo, en mi reseña de experimentos de evolución en laboratorio analicé el trabajo de Zinser et al. (2003), en el que un rearreglo de secuencias llevó un promotor más cerca de un gen que carecía del mismo. También analicé experimentos como el de Licis y van Duin (2006) en el que unas mutaciones secuenciales múltiples aumentaron la capacidad de un ECF. A pesar del resultado visualmente sorprendente de Lenski —en el que un matraz generalmente transparente quedó enturbiado por el sobrecrecimiento de bacterias en citrato—, al nivel molecular no se consiguió ninguna novedad.

Otra persona que sigue de cerca los resultados de Lenski es Dennis Venema, catedrático del Departamento de Biología en la Universidad Trinity Western y contribuidor al sitio web de BioLogos. Fundado por Francis Collins, BioLogos defiende la compatibilidad de la perspectiva darwinista de la ciencia y de la teología cristiana. Yo estoy de acuerdo en que el mecanismo darwinista (bien entendido) es teóricamente compatible con la teología cristiana. Sin embargo, desde una base científica creo también que el darwinismo es sumamente inadecuado. Varios de los escritores en BioLogos creen que es adecuado, e intentan defenderlo contra los escépticos del darwinismo, y de manera muy especial contra proponentes del diseño inteligente como yo mismo.

En diversas contribuciones en BioLogos, el Profesor Venema comparaba los resultados de la actual investigación de Lenski con citrato con argumentos que yo había presentado en mi reseña en QRB y en mi libro de 2007, The Edge of Evolution [El límite de la evolución]. En tanto que yo sostenía allí que había un límite a la cantidad de mutaciones no seleccionadas (bien perjudiciales, bien neutrales) que podríamos esperar razonablemente que tuviera a su disposición un proceso darwinista para la construcción de un sistema complejo, Venema creía que el reciente trabajo de Lenski demostraba que el límite quedaba superado. Además, mientras que yo había señalado que ningunas de las mutaciones observadas en el trabajo de Lenski hasta la fecha de la reseña constituía una ganancia en ECFs, Venema escribió que las recién publicadas mutaciones en medio de citrato constituían tal característica.

Discrepo en ambos puntos. La duplicación génica que llevó un promotor tolerante al oxígeno cerca del gen citT no produjo ningún nuevo elemento funcional. Más bien se limitó a duplicar unos caracteres ya existentes. Los dos ECFs que comprenden el sitio del transportador de citrato tolerante al oxígeno —el promotor y el gen— eran funcionales antes de la duplicación, y eran funcionales después de la misma. En mi reseña yo ya había escrito que un tipo de mutación que se podría clasificar como ganancia de ECF sería la duplicación génica con posterior modificación de secuencia, para permitir al gen especializarse en alguna tarea. Venema piensa que la mutación observada por Lenski es esta clase de suceso. Ha pasado por alto que aquí no hay una subsiguiente modificación de secuencia: sencillamente, un segmento de ADN se duplica en tándem, yuxtaponiendo dos ECFs previamente existentes. (Es cierto que la secuencia de la proteína codificada por el gen duplicado incluye un fragmento de uno de los genes cercanos, pero no hay evidencia ni razón para creer que el fragmento fusionado es necesario para la actividad de la proteína.) En mi reseña, clasifico esto como un suceso de modificación de función. Como ejemplo de una verdadera ganancia de ECF por duplicación que se cita en mi reseña, daba yo el trabajo de Olsthoorn y van Duin (1996) donde una duplicación de 14 nucleótidos llevó a la formación de nuevos elementos codificados funcionales (no se limitó a repetir elementos preexistentes), de modo que no se trataba simplemente de una mutación de modificación de función. La mutación relativa al citrato no era de esta naturaleza.

Venema cuenta la cantidad de mutaciones necesarias para conseguir una función de importación de citrato plenamente funcional en el trabajo de Lenski, y llega a aproximadamente media docena. Desafortunadamente, varias de ellas son duplicaciones en tándem del débil transportador citT, que claramente son mutaciones seleccionables y beneficiosas. Al llegar a los límites del darwinismo, yo enfatizaba que el mecanismo desde luego funcionaría si una serie de mutaciones con incrementos graduales, en serie y beneficiosas, podrían realizar el trabajo. De modo que estas mutaciones no cuentan en el cómputo del límite. Sólo mutaciones necesarias deletéreas y neutrales cuentan contra el límite a la evolución darwinista. Venema razona que quizá se podría llegar a todos los complejos sistemas biológicos mediante mutaciones beneficiosas graduales. ¡Qué optimismo! Los datos no nos dan ninguna razón para creer que, debido a que un aumento gradual de la actividad celular total de una proteína mediante duplicación génica secuencial es sucesivamente beneficioso, que todas las rutas a sistemas complejos que involucren múltiples elementos distintos lo será también. Es bien ciertamente lo contrario, como he fundamentado con frecuencia.

El Profesor Venema también cuenta varias mutaciones de «potenciación» como contributivas al sistema. Desafortunadamente, sean lo que sean estas mutaciones, no forman parte del sistema metabólico mismo del citrato. Más bien, forman parte, como mucho, del trasfondo genético. Si Lenski y sus colaboradores están en lo cierto en sus especulaciones (Blount et al. 2012), al menos una de las mutaciones potenciadoras degrada un gen no relacionado, y por ello cuenta como una mutación de pérdida de ECF. Al contar las mutaciones que contribuyen al límite de la evolución para la construcción de un rasgo, sólo se cuentan las que están directamente involucradas en dicho rasgo, no aquellas que contribuyen de manera indirecta a un trasfondo genético receptivo (que son legión). Así, a diferencia de Venema, yo cuento quizá de tres a cuatro mutaciones —la duplicación original que sitúa el promotor tolerante al oxígeno cerca del gen citT, más diversas rondas de duplicaciones de dicha región. Todas las mutaciones lo son de modificación de función en el sistema de clasificación que he descrito. Debería añadir que no hay razón alguna para creer que los procesos darwinistas no pueden producir mutaciones de ganancia de ECF, y yo mismo he reseñado diversos de estos eventos. Pero quedan enormemente superados por mutaciones beneficiosas de pérdida de ECF y de modificación de función.

En mi opinión, retrospectivamente, el aspecto más sorprendente de la mutación de citT de tolerancia al oxígeno fue que resultó tan difícil de conseguir. Si antes que Lenski realizase su trabajo alguien me hubiera delineado un diagrama de la duplicación original que produjo el cambio metabólico, me habría parecido suficiente —que un solo paso lo podría conseguir. Que fuese considerablemente más difícil que eso pasa a demostrar que incluso escépticos como yo sobreestiman la capacidad del mecanismo darwinista.

Referencias:

Barrick, J. E., Yu, D. S., Yoon, S. H., Jeong, H., Oh, T. K., Schneider, D., Lenski, R. E. y Kim, J. F. 2009. Genome evolution and adaptation in a long-term experiment with Escherichia coli. Nature 461:1243-1247.

Behe, M. J. 2010. Experimental Evolution, Loss-of-function Mutations, y «The First Rule of Adaptive Evolution». Q. Rev. Biol. 85:1-27.

Behe, M. J. 2007. The Edge of Evolution: the Search for the Limits of Darwinism. Free Press: New York.

Blount, Z. D., Borland, C. Z., y Lenski, R. E. 2008. Historical contingency and the evolution of a key innovation in an experimental population of Escherichia coli. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A 105:7899-7906.

Blount, Z. D., Barrick, J. E., Davidson, C. J., y Lenski, R. E. 2012. Genomic analysis of a key innovation in an experimental Escherichia coli population. Nature 489:513-518.

Licis, N. y van, D. J. 2006. Structural constraints and mutational bias in the evolutionary restoration of a severe deletion in RNA phage MS2. J. Mol. Evol. 63:314-329.

Olsthoorn, R. C. y van Duin, D. J. 1996. Evolutionary reconstruction of a hairpin deleted from the genome of an RNA virus. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A 93:12256-12261.

Venema, D. 2012. Behe, Lenski and the «Edge» of Evolution, Part 1: Just the FCTs, Please. The Biologos Forum. http://biologos.org/blog/behe-lenski-and-the-edge-of-evolution-part-1.

Zinser, E. R., Schneider, D., Blot, M. y Kolter,R. 2003. Bacterial evolution through the selective loss of beneficial Genes. Trade-offs in expression involving two loci. Genetics 164:1271-1277.

Imagen cortesía de: Nina H./Flickr.

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Fuente: Evolution News – Rose-Colored Glasses: Lenski, Citrate, and BioLogos 13/11/2012
Redacción: Michael Behe © 2012 – http://www.evolutionnews.org
Traducción y adaptación: Santiago Escuain, publicado en sedin-notas.blogspot.com.es
© SEDIN 2012 – http://www.sedin.org


Publicado por Santiago Escuain para SEDIN – NOTAS y RESEÑAS el 12/01/2012 12

Published in: on +00002012-12-06T13:52:41+00:0031000000bThu, 06 Dec 2012 13:52:41 +0000UTC 23, 2008 at 11:59 pm12  Dejar un comentario  

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