El proyecto «La evolución bajo el microscopio» sigue vigente en la MSU
Fuente Michigan State University por Bethany Mauger
El experimento de evolución a largo plazo continúa revelando cómo se entrelazan el azar y las adaptaciones.
La evolución suele ser demasiado lenta para observarla durante la vida de un ser humano. Sin embargo, en un laboratorio de la Universidad Estatal de Michigan, se desarrolla en días, años y ahora décadas.
A partir de 1988, Richard Lenski, profesor distinguido de la cátedra Hannah de la MSU, guió el rápido crecimiento del organismo modelo Escherichia coli (E. coli) a lo largo de 75.000 generaciones. Lenski y los investigadores del Departamento de Microbiología, Genética e Inmunología (MGI) han presenciado la evolución en tiempo real durante más de tres décadas.
El Experimento de Evolución a Largo Plazo (LTEE, por sus siglas en inglés) consta de 12 pequeños matraces con E. coli que permiten vislumbrar el proceso de la evolución, sin necesidad de esperar miles o incluso millones de años. Se trata de un sistema sencillo del que científicos de todo el mundo han aprendido para comprender la evolución bacteriana en entornos más complejos, como los pulmones de una persona con fibrosis quística o la microbiota intestinal.
En 2022, el LTEE abandonó el campus de la MSU y pasó a manos de Jeffrey Barrick, antiguo investigador postdoctoral de Lenski, en la Universidad de Texas en Austin. Su grupo continuó allí el experimento hasta completar 82 000 generaciones. Ahora, las bacterias E. coli están de vuelta en casa.
Barrick regresó a la MSU como Profesor Distinguido Hannah con nombramientos conjuntos en el MGI y el Departamento de Entomología. Con su regreso, el Experimento de Evolución a Largo Plazo (LTEE) vuelve a la MSU, aún repleto de posibilidades. Barrick y Lenski afirman que incluso podría surgir una nueva especie algún día.
«Creo que esto forma parte de la continuidad de una larga tradición de excelencia en evolución y ecología microbiana en la Universidad Estatal de Michigan», declaró Barrick. «Históricamente, tenemos una gran fortaleza en microbiología, incluyendo el estudio de las comunidades microbianas asociadas a plantas y animales».
Todo comenzó con 12 matraces
Lenski empezó a llamar a sus 12 matraces de E. coli un experimento de evolución a largo plazo después de unos 10 meses, cuando alcanzó las 2000 generaciones. En aquel momento, le pareció muchísimo.
Antes de empezar a estudiar bacterias, era ecólogo de campo, pero se cansó de pasar horas en el bosque colocando trampas para escarabajos y contando poblaciones para obtener resultados aparentemente sencillos. Quería observar la evolución en tiempo real. Fue entonces cuando los microbios entraron en escena.
Las bacterias se reproducen rápidamente, lo que permite a los científicos observar generaciones enteras nacer y crecer en cuestión de horas, en lugar de años. Lenski se dio cuenta de que si estudiaba la E. coli no patógena, un organismo modelo común, podría presenciar miles de generaciones en menos de un año.
Solo había un problema: Lenski no era microbiólogo. Sin dejarse amedrentar por ese pequeño detalle, le escribió a Bruce Levin, un biólogo evolutivo que por aquel entonces tenía un laboratorio en la Universidad de Massachusetts-Amherst. Sin darse cuenta, ya era investigador postdoctoral en el laboratorio de Levin.
«Me preocupaba mucho si sería capaz de dedicarme a la microbiología y aprender todas las técnicas de pipeteo y demás habilidades básicas», comentó Lenski. «Rápidamente descubrí que era muy divertido».
Estudiar bacterias era lo más parecido a la gratificación instantánea que se podía encontrar en biología evolutiva. Lenski podía observar cambios en el número de células de E. coli en placas de Petri desde el día en que comenzaba un experimento hasta la mañana siguiente. Cuanto más aprendía, más volvía a la misma pregunta: ¿es posible repetir la evolución? ¿Cómo influye la tensión entre el poder de la selección natural y la aleatoriedad de las mutaciones en el cambio a lo largo del tiempo?
Fue entonces cuando a Lenski se le ocurrió la idea de comenzar un experimento.
«Pensé: ¿por qué no simplificar las cosas y dejar que las bacterias evolucionen?»
El experimento comenzó en 1988 con 12 linajes de *E. coli*. Diariamente, llenaba 12 matraces con medio de glucosa fresco y, con una pipeta, transfería el 1% de cada población a su nuevo entorno. Luego, se dejaban crecer libremente hasta la siguiente transferencia.
El experimento continuó día tras día. Lenski, quien inicialmente fue profesor en la Universidad de California en Irvine, llegó a la MSU en 1991, llevando consigo el experimento.
Con su llegada, Lenski se unió al Centro de Ecología Microbiana, dirigido por el Profesor Emérito Distinguido de la Universidad, James Tiedje. Allí, Lenski encontró un entorno donde los microbios eran considerados organismos reales, no simples conjuntos de ADN y otras moléculas, como muchos biólogos solían verlos en aquel entonces.
Evolución inesperada
Para que el experimento continuara, se requería atención constante. Lenski y su laboratorio no faltaron ni un solo día, trabajando incluso fines de semana y días festivos para mantener el crecimiento de la población. Cada 500 días, añadían un agente para proteger las células del daño y las congelaban a -80 grados Celsius. Estas muestras congeladas se convirtieron en un registro fósil que los científicos pueden recuperar para comparar su descendencia durante generaciones.
La rutina era predecible, pero la evolución que se desarrollaba en el laboratorio no lo era. Lenski y sus colegas asumieron que cada mutación beneficiosa extinguiría a sus competidoras. En cambio, observaron que varias ramas con diferentes mutaciones coexistían a menudo durante largos períodos.
“Una de las cosas más interesantes de los estudios a largo plazo es que cada resultado que obtenemos plantea tantas preguntas como respuestas ofrece”, dijo Lenski. “Me gusta llamarlo el experimento que nunca deja de sorprender”.
Al principio, todos los cultivos bacterianos evolucionaron de forma similar. Crecieron más que sus células progenitoras y todos perfeccionaron la forma en que se enrollaba su ADN. En algunos linajes, la forma alargada de sus ancestros se transformó en una forma más redondeada. Las bacterias también aprendieron a activarse inmediatamente al añadirlas a un medio fresco, en lugar de tardar aproximadamente una hora en activarse como lo hacía su ancestro.
Entonces, un día, uno de los matraces desarrolló un apetito inusual.
La glucosa es la principal fuente de alimento para los cultivos LTEE, pero los matraces también contenían citrato para facilitar la disponibilidad de hierro. Normalmente, la E. coli no puede consumir citrato salvo en circunstancias especiales. Pero en 2003, después de unas 31 000 generaciones, un grupo en un matraz evolucionó para utilizar el citrato como fuente de alimento.
“Es sorprendente, porque evolucionar para hacer esto les supone una enorme ventaja”, dijo Barrick. “Es como si tuvieran su propio nutriente exclusivo, presente en una concentración mucho mayor de lo normal. El matraz cambia notablemente, con mayor turbidez debido a las células, algo que se puede observar a simple vista. Fue una gran innovación”.
El laboratorio de Lenski observó cómo la población que consumía citrato se adaptaba a su nueva capacidad. Aunque contaban con una fuente de alimento exclusiva, les costaba consumirla eficientemente. Su metabolismo, acostumbrado a funcionar con glucosa, flaqueaba al intentar producir sus componentes celulares a partir del nuevo combustible.
Aplicaciones más allá del laboratorio
Con el tiempo, científicos ajenos al laboratorio de Lenski utilizaron su experimento como marco conceptual para estudiar la evolución microbiana en entornos más complejos, como el intestino humano o los pulmones de una persona con fibrosis quística. Se preguntaron si los cambios evolutivos dentro de esos matraces podrían explicar lo que observaban en infecciones reales.
El experimento a largo plazo (LTEE, por sus siglas en inglés) también se emula ampliamente en el campo de la biotecnología. La bacteria E. coli se utiliza comúnmente como fábrica celular para producir enzimas, medicamentos e ingredientes para plásticos y otros materiales. Los científicos pueden usar la evolución para hacer que estas fábricas sean más estables y eficientes.
«En cierto modo, el experimento a largo plazo se ha convertido en un sistema modelo de evolución», afirmó Lenski. «Es sumamente simplificado. Nos da la oportunidad de analizar la evolución y preguntarnos: ¿dónde están nuestros errores? ¿Dónde observamos fenómenos inesperados? ¿En qué casos se desarrollan como esperábamos? Y luego, otros investigadores pueden explorar nuevas direcciones, como en el caso de los pulmones de personas con infecciones».
Sin detenerse
A medida que el LTEE se acerca a las 100.000 generaciones, los investigadores siguen explorando los frascos con nuevas preguntas y aplicaciones. Ahora, en manos de Barrick y su laboratorio, el LTEE inspira sus estudios sobre el microbioma intestinal de las abejas y el campo emergente de la biología sintética.
Barrick y su equipo continuarán con las transferencias diarias mientras monitorean las poblaciones en busca de la próxima innovación.
