S.Desde la época de Charles Darwin, la biología evolutiva ha rendido homenaje al azar y formula frases como «La evolución no quiere nada, no planea nada y no tiene metas». Las mutaciones -según uno de sus dogmas más importantes- suceden al azar y no les importan las consecuencias que producen. Solo su oponente, la selección natural, decide qué genes cambian más rápido y cuáles cambian más lento. Por lo tanto, categorías como el azar y la falta de dirección se consideran suposiciones básicas del pensamiento biológico evolutivo. Este pensamiento fue cimentado por el Premio Nobel de Medicina otorgado a Salvador Luria y Max Delbrück en 1969. Veintiséis años antes, los científicos habían demostrado que las poblaciones bacterianas siempre contienen bacterias que ya son resistentes a los virus que aún no han encontrado y que, por lo tanto, ellos tampoco saben. Por lo tanto, las mutaciones que median la resistencia deben haber ocurrido sin la ayuda de estos virus, solo al azar y no directamente.
Una publicación de Detlef Weigel, Gray Monroe y otros colegas en la revista «Nature» ahora rasca estas suposiciones básicas. Weigel es director del Instituto Max Planck de Biología en Tübingen y profesor Monroe en la Universidad de California en Davis. Los científicos pudieron demostrar que las mutaciones en el genoma de las malas hierbas Arabidopsis thaliana, una de las plantas modelo más importantes de la ciencia, no están distribuidas al azar en el genoma como se pensaba anteriormente. Más bien, los cambios genéticos ocurren con más frecuencia en algunos lugares y con menos frecuencia en otros. La frecuencia de las mutaciones está relacionada con la importancia de los genes para la capacidad de la planta para sobrevivir y reproducirse. La tasa de mutación es más baja donde se encuentran genes de hierbas esenciales y más alta en regiones donde se encuentran genes menos esenciales.
Diferentes cepas de berro thale (Arabidopsis thaliana) de diferentes regiones del mundo (filas superior e inferior). Los híbridos de las plantas madre se alinean en la fila del medio.
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Imagen: MPI para biología del desarrollo
Las mutaciones también se distribuyen de manera desigual dentro de las denominadas regiones codificantes y no codificantes de un gen. Las secuencias de ADN codificantes, es decir aquellas que son directamente responsables de la síntesis de una proteína, han sido mutadas solo la mitad de las secciones no codificantes que se encuentran antes y después de los respectivos genes. Los genes esenciales mostraron dos tercios menos de mutaciones que los genes no esenciales. «Es como si la evolución estuviera jugando con dados cargados», dice Weigel. «Obviamente, las plantas han desarrollado una forma de proteger sus genes más importantes de las mutaciones para que puedan sobrevivir mejor. Esta es una perspectiva completamente nueva sobre cómo surgen las mutaciones y cómo funciona la evolución».
¿Qué mantiene equilibrada a Arabidopsis?
¿En qué se basan estos hallazgos? Weigel y sus colegas realizaron los llamados experimentos de acumulación de mutaciones con cientos de plantas de Arabidopsis, en los que se eliminó casi por completo la selección natural, y examinaron más de un millón de nuevas mutaciones. Al eliminar la selección natural, los científicos pudieron analizar todas las mutaciones, incluidas las dañinas, que normalmente desaparecen rápidamente bajo la presión de la selección. Esta hazaña solo fue posible porque Arabidopsis tiene un genoma relativamente pequeño con 120 millones de pares de bases. ¿Cómo ocurre la distribución desigual de mutaciones en el genoma de la hierba?
Aparentemente, el noventa por ciento de la variación puede explicarse por diferentes marcas epigenéticas y proteínas de empaquetamiento de ADN. Estos cambios en el genoma -capas protectoras, por así decirlo- determinan qué tan abierto y accesible es el material genético en su esfera de influencia y, por lo tanto, qué tan bien se puede reparar el ADN en caso de una mutación, porque las enzimas reparadoras no pueden hacer su propio .trabajar sin acceso directo a la hebra de ADN. «Nuestro hallazgo más importante es que obviamente hay una clase de genes en la célula que están etiquetados de manera diferente a otros genes y que se reparan particularmente bien y de manera eficiente debido a estas marcas», dice Weigel. «Esto nos sorprendió».
Ahora bien, ¿qué mantiene más en equilibrio a Arabidopsis: la distribución desigual de mutaciones y la reparación eficiente de genes esenciales, o la selección negativa o purificadora que elimina versiones de genes dañinos y deletéreos? Weigel y sus colegas pudieron demostrar que la evolución, al menos en Arabidopsis, está más fuertemente influenciada por la reparación eficiente de genes esenciales y menos por la purificación de la selección. Debido a que los genes esenciales de la hierba toleran poca variabilidad, la planta aparentemente no espera a que la selección elimine el alelo dañado, sino que corrige el error de inmediato y con precisión.
Oportunidad para el cultivo de plantas.
«Sin embargo, los genes esenciales también cambian con el tiempo», dice Weigel, «aunque más lentamente que otras partes del genoma». Las regiones con genes menos importantes toleran una mayor variabilidad. Aquí la selección tiene más margen para seleccionar variantes nuevas y útiles. Los resultados son notables en varios aspectos. Primero, cambian la imagen que la biología evolutiva ha tenido de las fuerzas detrás de la variación natural. Por otro lado, también tienen consecuencias muy prácticas.
Si Arabidopsis protege sus genes más importantes de las mutaciones con marcadores especiales en el genoma y las proteínas, el genoma humano también podría estar mejor protegido, por ejemplo, contra las mutaciones que causan cáncer. Pero la reproducción de las plantas también podría beneficiarse de ello. Al saber qué regiones del genoma son particularmente susceptibles a las mutaciones y cuáles son menos susceptibles, se puede controlar mejor la variación natural. En cualquier caso, el azar no es el único motor de la evolución.
