Un trabajo en el que participa la Universidad Complutense de Madrid (UCM) recrea el paisaje evolutivo de un gen de resistencia a antibióticos, con una resolución sin precedentes: más de 260.000 secuencias diferentes
A los investigadores del campo de la evolución les interesa saber cómo de fácil es para un organismo mutar, evolucionar y adaptarse; pero conforme avanza la ciencia, los experimentos demuestran que la teoría es más compleja de lo que se pensaba.
Una investigación publicada en Science liderada por la Universidad de Zúrich en la que participa la Universidad Complutense de Madrid (UCM) demuestra esa complejidad en la recreación del paisaje evolutivo a muy alta resolución de un gen bacteriano que muta y evoluciona convirtiéndose en un gen de resistencia al antibiótico trimetoprima, que se usa frecuentemente para el tratamiento de infecciones en el tracto urinario.
La teoría de los paisajes evolutivos
Los paisajes evolutivos son representaciones tridimensionales que sirven para ilustrar y entender de manera sencilla cómo evolucionan los organismos o cualquier elemento biológico como un gen o una proteína. Se trata de una especie de mapa topográfico con montañas y valles que representan cómo de adaptada está cada una de las posibles secuencias de una proteína. Así, cuando la secuencia de la proteína está en un pico alto de una montaña está muy adaptada y cuando está en un valle está poco adaptada.
La proteína, de manera natural, cambia de secuencia y se desplaza por el paisaje. De esta forma, la evolución de una proteína estaría representada como movimientos dentro de ese paisaje. Pero en esa navegación por el paisaje hay una regla que hay que respetar siempre: la selección natural solo puede dirigir a la proteína hacia puntos de igual o mayor elevación.
En el caso de paisajes muy sencillos, por ejemplo, con un solo pico, la evolución de la proteína hacia la cima es sencilla: se parta de la secuencia que se parta, siempre hay una mutación que lleva hacía puntos de más altura y así hasta alcanzar la cima. Se dice que es un paisaje “fácilmente navegable” porque la proteína siempre tiene un camino hacia su máximo nivel de adaptación.
Sin embargo, en paisajes “rugosos”, con muchos picos de poca altura y algunos de mucha altura, el desplazamiento hacia el máximo nivel de adaptación de la proteína se cree que es difícil. Esto se debe a que en su viaje evolutivo es muy probable que la proteína suba a uno de los picos de baja elevación, donde se quedaría atrapada puesto que la selección natural nunca permite descender. Por esto, se creía que los paisajes evolutivos rugosos eran poco navegables.
Los evolucionistas han trabajado de forma teórica durante mucho tiempo para averiguar si puede la selección natural dirigir la evolución de proteínas (o seres vivos) a través de este tipo de paisajes, y hacerlos llegar a los picos más altos: a su estado de máxima adaptación. El trabajo estudia por primera vez de forma experimental este fenómeno con un nivel de precisión nunca antes conseguido.
Rutas alternativas entre la rugosidad
En el laboratorio MBA, “Bases Moleculares de la Adaptación”, del Departamento de Sanidad Animal y del Centro de Vigilancia Sanitaria Veterinaria de la Facultad de Veterinaria de la UCM, están interesados en los aspectos adaptativos y evolutivos de los integrones, unas plataformas bacterianas que captan y acumulan muchos genes de resistencia (). En MBA han conseguido obtener y caracterizar una colección de genes de resistencia a trimetoprima, provenientes de integrones. La exploración de dicha colección ha permitido encontrar un gen con niveles de resistencia intermedios, logrando revelar el paisaje rugoso que se ha caracterizado.
De esta forma se consigue un mapa de alta resolución de un paisaje evolutivo con más de 260.000 secuencias de las que podemos saber la altura de cada uno de sus puntos (es decir su nivel de adaptación, o su nivel de resistencia a antibióticos). Este paisaje es un paisaje rugoso con más de 500 picos de baja altura y solo 74 de gran elevación. A pesar de la rugosidad, es altamente navegable, por lo que contradice la teoría evolutiva de que en este tipo de paisajes la proteína tendería a quedarse atrapada.
“Esto hace difícil predecir cómo va a evolucionar la proteína, a nivel molecular porque puede tomar muchas rutas alternativas para llegar a los picos altos”, indica José Antonio Escudero, investigador de la Facultad de Veterinaria de la UCM.
En definitiva, este trabajo muestra, recreando un paisaje realista y con una resolución sin precedentes, que la evolución adaptativa en paisajes rugosos es altamente navegable. “Esto implica que se necesita revisar y mejorar aspectos de la teoría de la evolución para llegar a entender la contraintuitiva geometría de los paisajes evolutivos realistas revelada por nuestra investigación”, concluye Escudero.
Referencia bibliográfica: Andrei Papkou et al. “A rugged yet easily navigable fitness landscape. Science 382, eadh3860(2023). DOI: 10.1126/science.adh3860.
