Uno de los debates más intensos entre los
evolucionistas del siglo XX se centró en conocer si la fuerza que gobierna la
evolución de los diferentes genomas es la selección
o el azar. La controversia entre
seleccionistas y neutralistas surgió a finales de los 1960s cuando el japonés
Motoo Kimura propuso la teoría
neutralista de la evolución molecular para explicar la observación de que
los cambios en la secuencia de algunas proteínas entre diversas especies
parecían producirse de manera constante y proporcional a su tiempo de
divergencia y a una tasa muy superior a la que podría justificarse si sólo se
produjeran por selección.

La teoría neutralista de la evolución molecular
explica por qué hay tantos cambios en la secuencia de un mismo gen entre los
diferentes organismos y su aparición de manera constante en el tiempo. Esto
permite establecer un reloj molecular y cuantificar el tiempo de divergencia
entre ellos.

Los individuos que conforman la siguiente generación
son descendientes de los individuos que tuvieron hijos y el pensamiento
darwinista tiende a pensar que los individuos mejores o más adaptados son los
que dejan un mayor número de descendientes. Esto haría que la evolución o
cambio de una especie esté guiada por la selección
natural. Sin embargo, esto no tiene porqué ser siempre así. Algunas veces
el azar juega un papel importante.
Los individuos que tienen descendientes no tienen por qué ser los mejor adaptados
sino que ha podido ocurrir así por cuestiones que pueden no tener que ver con
sus características biológicas (por lo que desde el punto de vista biológico
estaría actuando el azar). Esto es especialmente importante en poblaciones
pequeñas en un fenómeno que se conoce como deriva
genética.

La mutación
es un fenómeno que se produce a una tasa más o menos constante en condiciones
normales. Esta mutación podrá ser beneficiosa, perjudicial o neutral (ni
beneficiosa ni perjudicial) con respecto a la aptitud biológica del individuo
que la porta. Si es perjudicial desaparecerá en una o varias generaciones ya
que los individuos que la tienen serán menos aptos. Por el contrario, si es
beneficiosa su frecuencia irá aumentando en la población ya que los individuos
que la portan tendrán más descendientes y éstos serán más viables. Ambos tipos
de cambios conducen a una evolución
adaptativa al ambiente en el que vive el organismo.

Pero, ¿qué ocurre con las mutaciones neutrales? Su frecuencia aumentará o disminuirá dependiendo
del azar; algunas se perderán, pero otras aumentarán en frecuencia llevando a
una evolución NO adaptativa. Hay
cambio, pero los individuos no están ni más ni menos adaptados. La teoría
neutralista de Kimura se basa en que este tipo de mutaciones son las más
frecuentes en una población; no implica que la selección no actúe sino que ésta
lo hace frente a una proporción muy pequeña de cambios moleculares, los
beneficiosos o los perjudiciales. La mayor parte de los cambios a nivel
molecular son neutrales, no hacen mejor o peor al individuo que los porta. Por
ello se acumulan de manera constante en el tiempo permitiendo establecer un reloj molecular en la evolución de los
distintos linajes.

Hay dos tipos de evolución: la adaptativa y la NO
adaptativa

Existen múltiples ejemplos experimentales que muestran
la existencia de mutaciones beneficiosas que son muy frecuentes en algunas
poblaciones frente a otras de la misma especie, como la permanencia de la
actividad lactasa en algunos grupos humanos. Sin embargo, a nivel general, se
desconoce cuántas de las nuevas mutaciones que se van produciendo son
beneficiosas. Conocer esta tasa puede ser útil para mejorar nuestro
conocimiento de la evolución molecular y los métodos que ayuden a datar y
reconstruir la historia evolutiva.

La secuenciación
rápida de genomas completos está facilitando la realización de ensayos
experimentales que nos ayuden a profundizar en ello. Sin embargo, a pesar de
que las mejoras técnicas facilitan estos estudios, hay algo imprescindible en
los análisis evolutivos: la paciencia,
ya que debemos analizar cientos o miles de generaciones para tener datos
fiables.

Keep calm and
be patient

Las bacterias son, de nuevo, nuestras mejores aliadas
para poder monitorizar tantas generaciones en un tiempo razonable. Hasta la fecha
algunos análisis se habían realizado siguiendo a varias decenas de bacterias
durante algunos cientos de generaciones o a un clon durante casi 40.000
generaciones. A pesar de ello era complicado conocer qué mutaciones son
realmente beneficiosas (o conductoras de la selección) y cuáles simplemente
acompañan a las beneficiosas (son pasajeras). Recientemente un estudio
publicado en Nature muestra los resultados del análisis del genoma completo de dos clones de 12
poblaciones de E. coli tras 500,
1.000, 1.500, 2.000, 5.000, 10.000, 15.000, 20.000, 30.000, 40.000 y 50.000
generaciones (¡desde hace 28 años!). Esto hace un total de 264 genomas
completos cuyo análisis ha mostrado algunos resultados curiosos y otros que apoyan
algunas ideas conocidas.

(Mapa del genoma de una bacteria)

¿Cómo cambia el
genoma de una bacteria después de 28 años (50.000 generaciones) multiplicándose?

De manera sorprendente la longitud media de los
genomas tras 50.000 generaciones había disminuido en casi un 1,5% desde la
bacteria ancestral y las mutaciones no se habían distribuido de manera uniforme
a lo largo de las 12 poblaciones analizadas. Seis de ellas habían evolucionado
hacia un fenotipo hipermutador, lo
que les hacía acumular algo más del 96% de todas las mutaciones detectadas. Sin
embargo esta “hipermutabilidad” disminuía con el tiempo, ya que parecía
favorecer la mayor presencia de mutaciones deletéreas o perjudiciales.

Si mutas mucho,
empiezas a cargarte cosas importantes

Además, este efecto se asocia a la presencia de un
mayor número de secuencias transponibles. Los transposones son secuencias presentes en la mayor parte de
organismos, entre los que se encuentra el nuestro, y que son capaces de saltar
de una posición a otra del genoma. Efectivamente desde hace años se conoce que
son responsables de una mayor inestabilidad genómica. Lógicamente la presencia
en un mayor o menor grado de este tipo de secuencias y el fenotipo hipermutador
puede cambiar el tiempo y modo de evolución del organismo que las porta. Aunque
estas bacterias teóricamente acumulaban una mayor tasa de mutaciones
beneficiosas también lo hacían de mutaciones deletéreas, compensándose ambos
hechos. Además en estas poblaciones se hacía más difícil diferenciar las
mutaciones realmente beneficiosas de las que no lo son en un “mar” de mutaciones.

Sin embargo, en las bacterias sin fenotipo
hipermutador se podía observar que las
mutaciones potencialmente beneficiosas se acumulaban a una tasa muy superior a
las neutrales. Sin embargo esta acumulación disminuía con el tiempo ya que
en las primeras 500 generaciones se acumulaban 17 veces más mutaciones
beneficiosas pero al acercarse a las 50.000 generaciones esta acumulación era
de sólo 2 veces más. Por otra parte, la mitad de estas mutaciones se
encontraban en sólo 57 genes (en sólo el 2% del genoma) que estarían favoreciendo
esta adaptación.

La adaptación,
al principio es muy rápida y luego disminuye. Pero la frecuencia de mutación neutral
se mantienen constante, de ahí que existe un reloj molecular.

Así, el color de la evolución no es ni blanco ni negro
sino gris (como casi todo). La mayor parte de las mutaciones fijadas parecen
ser beneficiosas, pero su proporción disminuye cuanto mayor es la adaptación.
Sin embargo las mutaciones neutrales se acumulan a una tasa bastante constante
en el tiempo lo que hace que el reloj molecular efectivamente exista.

Reloj
molecular: a más tiempo, más cambios

Por lo tanto a nivel molecular actúa tanto la
selección como el azar. En el fondo la evolución de los genomas se basan en continuos cambios en el equilibrio de
ambas fuerzas. En un primer momento en poblaciones grandes la selección
ganaría al azar, pero una vez conseguida una adaptación razonable el azar se
mantiene como una fuerza importante de los cambios que sufre un genoma.

El autor de esta entrada es José Luis Vizmanos, Catedrático
de Genética y profesor de Genética de poblaciones de la Universidad de Navarra.

(1) Tempo and mode of genome evolution in a 50,000-generation experiment. Tenaillon, O., et al. Nature 536, 165–170 (11
August 2016) doi:10.1038/nature18959

La Tierra es un
planeta microbiano. Los microorganismos sostienen la vida en la Tierra.
Nada seria igual si no fuera por los microbios. De alguna forma podemos decir
que los microbios dominan la Tierra, mantienen los ciclos biogeoquímicos y el
resto de la vida en el planeta. Sin ellos, la vida no sería como la conocemos.
Ellos tiene los secretos del origen de la vida, están aquí desde hace unos
3.500 millones de años, nos han precedido y nos sobrevivirán. Pero además son
esenciales para nuestro futuro, gracias a ellos y a sus genes podremos
encontrar la solución a muchos de nuestros problemas y enfermedades.

Sin microbios: el caos total!

A pesar de su importancia, todavía sabemos muy poco del
mundo microbiano. En el proyecto Tree of Life, los microbios sólo
representan una pequeña proporción, la mayoría de las ramas del árbol de la
vida se ocupan de los seres vivos que han aparecido en el planeta los últimos
550 millones de años, pero la evolución biológica comenzó hace 3.500 millones
de años con los microbios. Por eso, la inmensa mayoría de las ramas del este
árbol son microbios. Lo apasionante es que la
mayoría de este mundo microbiano todavía nos es desconocido.

Desde que comenzaron los proyectos de secuenciación de
genomas microbianos, y hasta 2009, la mayoría de estos proyectos se elegían por
razones prácticas: se secuenciaban los genomas de aquellos microbios que tenía
interés médico (porque eran patógenos o potenciales probióticos) y biotecnológico/industrial.
Los primeros proyectos de secuenciación se olvidaron de la mayoría de la
diversidad microbiana del planeta. Por eso, ya es hora de que comience un proyecto sistemático y coordinado de
secuenciación del mundo microbiano. Y esto es lo que proponen un números
grupo de investigadores (1): coordinarse para secuenciar el genoma de cada uno de los representantes o cepas tipo de
cada especia de Bacteria y Archaea, cuyos nombres están
validados por el Código Internacional de Nomenclatura Bacteriana (International Code of Nomenclature of
Bacteria), aproximadamente unas 11.000 especies.

Actualmente existen unas 11.000
especies de bacterias y arqueas cuyos nombres están oficialmente validados.

¿Qué es una cepa tipo?
La cepa tipo no es el representante arquetipo de una especie, como algunos mal
interpretan. Una cepa tipo es el aislamiento
original de una bacteria o arquea depositado en una colección de cultivo oficial, obtenido en cultivo puro.  La cepa tipo juega
un papel esencial en la definición filogenética y taxonómica de bacterias y
arqueas, y permite asignar relaciones evolutivas e identificar nuevas especies.
Para definir una nueva especie microbiana es obligatorio su depósito en una
colección de cultivo oficial, que permita verificar los resultados y ampliar su
estudio conforme la tecnología avanza, empleando  el mismo material biológico original. En
España la Colección Española de Cultivo
Tipo(CECT) se encuentra en la Universidad de Valencia.

Es necesario conseguir un
catálogo genómico de todas las bacterias y arqueas cultivables.

Actualmente, existen unos 25.000 proyectos de secuenciación
de genomas de bacterias y arqueas, de los que solo 3.285 corresponden a cepas
tipo. Esto supone que el 70% de las cepas tipo no está siendo secuenciado. Hay
que tener en cuenta que cada año se validan unas 650 especies nuevas de
bacterias y arqueas. Por lo tanto, la primera fase de este proyecto (GEBA-type strain) supone la secuenciación
de las 7.830 cepas tipo que siguen sin secuenciar. Además, las cepas que se
vayan incorporando cada año, también entrarían en el proyecto. La ventaja es
que dentro de muy poco va a ser más fácil secuenciar todo el genoma de una
bacteria que hacer toda la caracterización fenotípica clásica que requiere la
descripción de una nueva especie bacteriana.

Árbol filogenético de Bacteria. Fuente: Nature 462,1056-1060.

Se suele afirmar que los microorganismos cultivables en el
laboratorio representan sólo menos del 1% de todas las bacterias y arqueas del
planeta. En realidad, todos los
proyectos de secuenciación actuales sólo representan menos del 2,8 % de toda la
diversidad microbiana conocida.

Hoy en día ningún grupo de investigación, ninguna colección
de cultivo, ni ninguna agencia de financiación por si sola podría llevar a cabo
este proyecto de secuenciación de todas las cepas tipo. Se quiere, por tanto, la
colaboración internacional. El reto es crear una colaboración global capaz de
seleccionar los proyectos más importantes, eliminar las repeticiones y
establecer unos estándares internacionales, que validen los sistemas de secuenciación,
ensamblaje, anotación y recolección de meta datos. Con muy pocas excepciones,
esos estándares comunes no existen. Sin esto, la investigación del mundo
microbiano va a ser como navegar sin mapa o sin GPS que ayuden a fijar el
rumbo.

En muchos casos, más de un tercio de los genes que tiene una
bacteria o arquea son de función desconocida. El descubrimiento de nuevos
genes, nuevas funciones y nuevas rutas metabólicas no solo mejorará nuestro conocimiento
de la evolución microbiana sino que, sobre todo, abrirá nuevas oportunidades
para la biomedicina, la salud, la biotecnología y la industria.

Los microbios todavía nos pueden sorprender
y guardar muchos secretos que nos pueden ser muy útiles.

Proyectos de colaboración de secuenciación de genomas
microbianos:

Genomic Encyclopedia of Bacteria and Archaea(GEBA), que ha
secuenciado unos 250 genomas en un programa piloto.

CyanoGEBA, sobre la secuenciación de 54 genomas de
cyanobacterias.

GEBA-Microbial Dark Matter(GEBA-MDM), sobre la secuenciación
de bacterias y arqueas no cultivables (la materia oscura del mundo microbiano),
con 201 candidatos.

La materia oscura del universo microbiano

El proyecto de secuenciación del microbioma humano, los
microbios de nuestro cuerpo, con los proyectos HMP (Human Microbiome Project)
y el consorcio IHMC (International Human Microbiome Consortium), con más de 3.000 aislamientos.

Microbioma: el primer“mapa” de nuestras bacterias, el segundo genoma humano

El proyecto de secuenciar mil genomas microbianos en tres años, Ten Thousand Microbial Genomes Project, del Beijing Genomics Institute.

Un proyecto de colaboración entre Sanger Institute y la colección de cultivos tipo inglesa (NTCT), para secuenciar 3.000 cepas bacterianas de la colección.

Los proyectos para analizar y secuenciar la población
microbiana del suelo: Terragenome Projectdel consorcio International Soil Metagenome Sequencing
Consortium y el proyecto Earth Microbiome Project (MEP).

The Microbial Earth Project

Genomas microbianos en NCBI

(1) Genomic encyclopedia of Bacteria and Archaea: sequencing amyriad of type strains. Kyrpides, N. C., et al. PLoS Biology. 2014. 12(8):
e1001920

doi: 10.1371/journal.pbio.1001920.