Biólogos logran replicar un paso evolutivo clave

ORIGINAL: ScienceDaily

Levadura.
(Crédito: © Dmitry Knorre / Fotolia)

ScienceDaily (17 de enero de 2012) - Hace más de 500 millones de años, los organismos unicelulares en la superficie de la Tierra comenzaron a formar grupos multicelulares que finalmente se convirtieron en plantas y animales. Sólo que la forma en que ésto ocurrió es una pregunta que ha eludido a los biólogos evolutivos.

Pero los científicos de la Universidad de Minnesota - Escuela de Ciencias Biológicas  han replicado este paso clave en el laboratorio mediante la selección natural y la levadura de cerveza común, que son organismos unicelulares. 

La levadura ha "evolucionado" en grupos multicelulares que colaborar entre sí, se reproducen y se adaptan a su medio ambiente - en esencia, precursores de la vida en la Tierra como lo es hoy.

Su logro se publica en el número de enero edición del 16 de Actas de la Academia Nacional de Ciencias.

Todo comenzó hace unos dos años con un comentario casual tomando café sobre que para cerrar la brecha de la famosa multi-celularidad sería "casi mejor que la pudiésemos hacer", recuerda el investigador postdoctoral Ratcliff y profesor asociado Michael Travisano, ambos del Departamento de Ecología, Evolución y Comportamiento.

Por lo que decidieron darle una oportunidad. Luego vino la gran sorpresa. No era en realidad tan difícil. Usando células de levadura, medios de cultivo y una centrífuga, sólo fué necesario un experimento llevado a cabo durante aproximadamente 60 días, dice Travisano, quien es el autor principal del artículo de PNAS.

"Yo no creo que nadie nunca lo había intentado antes", dice Ratcliff autor principal. "No hay muchos científicos haciendo una evolución experimental, y que están tratando de responder a las preguntas acerca de la evolución, no crearla."

A pesar de su modestia, el logro se ha ganado elogios y la admiración de los biólogos evolutivos en todo el mundo.

"Para entender por qué el mundo está lleno de plantas y animales, incluyendo seres humanos, tenemos que saber cómo organismos unicelulares hecho el cambio a la vida en grupo, como los organismos multicelulares", dijo Sam Scheiner, director del programa  de la División de Biología Ambiental de la Fundación Nacional de Ciencias (NSF). "Este estudio es el primero en observar experimentalmente que la transición, que ofrece una mirada a un evento que tuvo lugar cientos de millones de años atrás".

La financiación de la investigación se obtuvo en febrero de 2011, con los coautores R. Ford Denison y Borrello Marcos, profesores adjuntos y asociados, respectivamente, en el Departamento de Ecología, Evolución y Comportamiento.

Ratcliff y Travisano dieron a la comunidad científica una nuestra de su descubrimiento en una conferencia el pasado verano y posteriormente han sido invitados a hablar de ello en otras reuniones. El artículo de PNAS representa la primera vez detalles sobre la investigación han sido revelados. "El artículo nos proporciona la primera oportunidad para mostrar la amplitud de los cambios evolutivos que hemos observado", dice Travisano.

En esencia, así es como los experimentos funcionaron. 

• Los dos eligieron la levadura de cerveza o Saccharomyces cerevisiae, una especie de levadura que se usa desde la antigüedad para hacer pan y cerveza, ya que es abundante en la naturaleza y crece con facilidad. 
• Se agregó a un medio de cultivo rico en nutrientes y permite que las células crezcan de un día en tubos de ensayo. 
• Luego se utiliza una centrífuga para estratificar el contenido en peso. 
• A medida que en la mezcla se asentaban, algunos grupos de células se depositaron en la parte inferior de los tubos más rápido por ser más pesados. 
• Se quitaron los grupos de células, 
• los transfirieron a medio fresco, 
• los cultivaron nuevamente. 
• Sesenta ciclos más tarde, los grupos - ahora cientos de células - parecía más o menos como los copos de nieve esférica.

El análisis mostró que los grupos no eran sólo grupos de células al azar que se adhirieron a las otras, sino células relacionadas que parmanecían unidas luego de división celular. Eso fue importante, ya que significaba que eran genéticamente similares, que promueve la cooperación. Cuando los grupos llegaron a un tamaño crítico, algunas células esencialmente se suicidaron (apoptosis) para permitir que la descendencia se separase. Las crías reproducidas sólo después de alcanzado el tamaño de sus padres.

"Un grupo solo no es multiellular", dijo Ratcliff. "Pero cuando las células de un clúster cooperan, y hacer sacrificios por el bien común, y adaptarse al cambio, esto es una transición evolutiva a la multicelularidad".

Para que los organismos multicelulares adquieran forma, la mayoría de las células necesitan sacrificar su capacidad de reproducirse, una acción altruista que favorece el todo, pero no el individuo, dijo Ratcliff. Por ejemplo, todas las células del cuerpo humano son esencialmente un sistema de apoyo que permite a los espermatozoides y los óvulos pasar el ADN a la próxima generación. Por lo tanto, la multicelularidad es por su naturaleza extremadamente cooperativa. "Algunos de los mejores competidores en la naturaleza son los que se dedican a la cooperación, y en nuestra experiencia se muestra", dijo Travisano.

Los biólogos evolutivos han estimado que la multicelularidad ha evolucionado de forma independiente en unos 25 grupos. Travisano Ratcliff y se preguntan ¿por qué no se desarrolló con mayor frecuencia en la naturaleza, ya que no es tan difícil de recrear en un laboratorio?. Teniendo en cuenta que miles de millones de organismos unicelulares vivido en la Tierra durante millones de años, parece que debería haber sido posible, Ratcliff, dijo.

Tal vez esa es una pregunta que responderá en el futuro, utilizando el registro fósil durante miles de generaciones de sus grupos multicelulares, que se almacena en un congelador en el laboratorio de Travisano. Dado que las muestras congeladas contienen múltiples líneas que se convirtió en multicelulares independientes, que se pueden comparar para saber si mecanismos similares o diferentes y genes eran los responsables en cada caso, Travisano dijo.

Los próximos pasos del dúo de investigación consistirá en examinar el papel de la multicelularidad en el cáncer, el envejecimiento y otras áreas críticas de la biología.

"Nuestra levadura multicelulares son un recurso valioso para la investigación de una amplia variedad de temas médicos y biológicamente importantes", dijo Travisano. "El cáncer se ha descrito recientemente como un fósil del origen de la multicelularidad, que puede ser investigado directamente con el sistema de levadura. Del mismo modo los orígenes del envejecimiento, el desarrollo y la evolución de las morfologías complejas están abiertas para dirigir la investigación experimental que de otra manera sería difícil o imposible ".