Evolución Dirigida
Desde que apareció la vida en la tierra, esta ha ido evolucionando para generar una enorme diversidad biológica a lo largo de unos cuatro mil millones de años. Durante este tiempo, pequeñas variaciones en la secuencia de nucleótidos del ADN se han ido transfiriendo de generación en generación y acumulando en los organismos. Esto a dado origen a nuevas especies que son sometidas a procesos de selección natural en el medio ambiente donde se desarrollan. Este es un proceso que toma mucho tiempo, por ejemplo, para que una especie animal origine a otra que se le parezca pueden pasar unos dos millones de años, sin embargo, para originar especies muy diferentes entre sí (como pasó con la evolución del caballo) pueden pasar unos cuarenta millones de años. A este mecanismo lo llamamos evolución natural.
Cuando el ser humano comenzó a domesticar especies, las sometió a reproducción controlada y con ello seleccionó la descendencia que tenía las características deseadas (más carne, mejor pelaje, más docilidad, etc), esto es un proceso de selección artificial y le ha tomado varios miles de años. Aún así, este proceso artificial es más rápido que el que ocurre en la naturaleza.
¿Podemos hacer una evolución artificial más rápida que la que ocurre en la naturaleza?. La respuesta es sí. Actualmente, con el desarrollo de tecnologías de manipulación de material genético podemos hacer lo que denominamos evolución dirigida. En este caso no se trata de hacer evolucionar a las especies en otras diferentes (eso tardaría miles de años), en vez de ello, se hacen "evolucionar" a los genes en un tubo de laboratorio, y posteriormente se seleccionan aquellos que codifican para proteínas con las características deseadas, por ejemplo, enzimas más rápidas o que usen un sustrato diferente.
La proteínas son capaces de realizar una enorme diversidad de funciones, casi todas las funciones biológicas de los seres vivos dependen de las proteínas. Las proteínas se pueden agrupar en Globulares, Fibrosas y de Membrana. Pueden realizar funciones tan variadas como enzimas, receptores de membrana, moléculas mensajeras, de contracción, estructurales, etc. Cada ser vivo, desde una célula bacteriana hasta organismos eucariontes pluricelulares como los elefantes o los humanos, puede tener varios miles de proteínas codificadas en su genoma.
La evolución natural se ha encargado de buscar variantes de cada una de estas proteínas y "seleccionar" aquellas que tienen cierta ventaja sobre otras. Sin embargo, este proceso es muy lento, depende de miles de años de ensayos de prueba y error. En la naturaleza, las variantes de los genes se generan en la formación de gametos en el momento de la reproducción, son heredados a la descendencia y la selección natural se encarga de "evaluar" si esta variante es benéfica o no. Si la variante no genera alguna ventaja para el organismo, este será eliminado (servirá de alimento para otras especies). Por otro lado, si esta variante le confiere una ventaja, el organismo podrá reproducirse y heredar esta variante. Como podemos darnos cuenta, eso toma mucho tiempo, sobre todo si consideramos organismos cuyo ciclo de vida es largo como los elefantes o tortugas.
Por otro lado, en el laboratorio se pueden llevar a cabo ensayos de evolución dirigida para acelerar este proceso de búsqueda de variantes con características interesantes. ¿Cómo se consigue evolucionar un gen en el laboratorio?. La respuesta es reproduciendo los mismos mecanismos evolutivos naturales pero a una velocidad mucho mayor y buscando métodos de selección más sensibles y dirigidos hacia alguna característica en particular. En el laboratorio, las proteínas codificadas por estas variantes de genes son evaluadas en sistemas artificiales (tubos de ensayo) que agilizan los procesos de selección.
Veamos un ejemplo en concreto para comprender mejor este concepto de evolución dirigida. Hagamos un "ejercicio de evolución" de una enzima que usa un determinado sustrato y queremos evolucionarla para que utilice uno diferente. Tomemos la enzima llamada DD Peptidasa que participa en la síntesis de la pared celular bacteriana y hagámosla evolucionar para que tenga otra función completamente diferente: que degrade un antibiótico.
Lo primero que tenemos que hacer es obtener el gen de la DD Peptidasa y copiarlo muchas veces sucesivas con la técnica de PCR. Pero haremos un pequeño truco, configuraremos la PCR de tal manera que la Taq Polimerasa (la copiadora de genes) se equivoque frecuentemente y genere "mutaciones" en las copias del gen que estamos haciendo. ¿Cómo logramos que la Polimerasa se equivoque?, simplemente agregamos más magnesio del que necesita para llevar a cabo su reacción enzimática. A este tipo de PCR se le denomina mutagénico.
Una vez que hemos generado muchas copias de nuestro gen (cada una con alguna variante generada al azar) necesitamos "seleccionar" aquellos genes que codifiquen para una proteína que ha logrado cambiar de función. Para ello armamos un vector de clonación (un plásmido que contenga una copia del gen) y lo Transformamos (introducimos) en alguna población de bacterias para que ellas se encarguen de sintetizar a las proteínas. Posteriormente seleccionamos a aquellas bacterias que logren crecer en un medio de cultivo que contenga el antibiótico. Solamente crecerán aquellas bacterias que contengan alguna copia del gen que ha "evolucionado" para sintetizar una enzima capaz de degradar el antibiótico. Hemos hecho evolución dirigida.
En este ejemplo de evolución dirigida se ha hecho una migración catalítica para que la enzima reconozca otro sustrato y lleve a cabo una reacción bioquímica diferente. En la naturaleza también se ha dado este tipo de evolución en la enzima DD peptidasa para poder degradar al antibiótico penicilina. Este tipo de evolución molecular de la DD peptidasa a generado que las bacterias se vuelvan resistentes a la penicilina y puedan proliferar dentro del hospedero causándole una enfermedad infecciosa.
Por supuesto que no queremos evolucionar genes bacterianos para que degraden antibióticos (u otros medicamentos) causando daño a las personas. Pero este ejemplo nos sirve para comprender el potencial que tiene la evolución dirigida. Otra aplicación más benéfica de este proceso es la migración catalítica de enzimas para que reconozcan compuestos químicos derivados del petróleo y que son contaminantes ambientales. Al hacer evolución dirigida de enzimas para que degraden estos compuestos podemos hacer una limpieza de derrames petroleros de manera efectiva. También podemos degradar compuestos xenobióticos (hechos por el hombre, es decir, no naturales) que, al estar en el medio ambiente, resultan tóxicos para los seres vivos. Estos procedimientos de limpieza los llamamos biorremediación.
Cuando el ser humano comenzó a domesticar especies, las sometió a reproducción controlada y con ello seleccionó la descendencia que tenía las características deseadas (más carne, mejor pelaje, más docilidad, etc), esto es un proceso de selección artificial y le ha tomado varios miles de años. Aún así, este proceso artificial es más rápido que el que ocurre en la naturaleza.
¿Podemos hacer una evolución artificial más rápida que la que ocurre en la naturaleza?. La respuesta es sí. Actualmente, con el desarrollo de tecnologías de manipulación de material genético podemos hacer lo que denominamos evolución dirigida. En este caso no se trata de hacer evolucionar a las especies en otras diferentes (eso tardaría miles de años), en vez de ello, se hacen "evolucionar" a los genes en un tubo de laboratorio, y posteriormente se seleccionan aquellos que codifican para proteínas con las características deseadas, por ejemplo, enzimas más rápidas o que usen un sustrato diferente.
La proteínas son capaces de realizar una enorme diversidad de funciones, casi todas las funciones biológicas de los seres vivos dependen de las proteínas. Las proteínas se pueden agrupar en Globulares, Fibrosas y de Membrana. Pueden realizar funciones tan variadas como enzimas, receptores de membrana, moléculas mensajeras, de contracción, estructurales, etc. Cada ser vivo, desde una célula bacteriana hasta organismos eucariontes pluricelulares como los elefantes o los humanos, puede tener varios miles de proteínas codificadas en su genoma.
La evolución natural se ha encargado de buscar variantes de cada una de estas proteínas y "seleccionar" aquellas que tienen cierta ventaja sobre otras. Sin embargo, este proceso es muy lento, depende de miles de años de ensayos de prueba y error. En la naturaleza, las variantes de los genes se generan en la formación de gametos en el momento de la reproducción, son heredados a la descendencia y la selección natural se encarga de "evaluar" si esta variante es benéfica o no. Si la variante no genera alguna ventaja para el organismo, este será eliminado (servirá de alimento para otras especies). Por otro lado, si esta variante le confiere una ventaja, el organismo podrá reproducirse y heredar esta variante. Como podemos darnos cuenta, eso toma mucho tiempo, sobre todo si consideramos organismos cuyo ciclo de vida es largo como los elefantes o tortugas.
Por otro lado, en el laboratorio se pueden llevar a cabo ensayos de evolución dirigida para acelerar este proceso de búsqueda de variantes con características interesantes. ¿Cómo se consigue evolucionar un gen en el laboratorio?. La respuesta es reproduciendo los mismos mecanismos evolutivos naturales pero a una velocidad mucho mayor y buscando métodos de selección más sensibles y dirigidos hacia alguna característica en particular. En el laboratorio, las proteínas codificadas por estas variantes de genes son evaluadas en sistemas artificiales (tubos de ensayo) que agilizan los procesos de selección.
Veamos un ejemplo en concreto para comprender mejor este concepto de evolución dirigida. Hagamos un "ejercicio de evolución" de una enzima que usa un determinado sustrato y queremos evolucionarla para que utilice uno diferente. Tomemos la enzima llamada DD Peptidasa que participa en la síntesis de la pared celular bacteriana y hagámosla evolucionar para que tenga otra función completamente diferente: que degrade un antibiótico.
Lo primero que tenemos que hacer es obtener el gen de la DD Peptidasa y copiarlo muchas veces sucesivas con la técnica de PCR. Pero haremos un pequeño truco, configuraremos la PCR de tal manera que la Taq Polimerasa (la copiadora de genes) se equivoque frecuentemente y genere "mutaciones" en las copias del gen que estamos haciendo. ¿Cómo logramos que la Polimerasa se equivoque?, simplemente agregamos más magnesio del que necesita para llevar a cabo su reacción enzimática. A este tipo de PCR se le denomina mutagénico.
Una vez que hemos generado muchas copias de nuestro gen (cada una con alguna variante generada al azar) necesitamos "seleccionar" aquellos genes que codifiquen para una proteína que ha logrado cambiar de función. Para ello armamos un vector de clonación (un plásmido que contenga una copia del gen) y lo Transformamos (introducimos) en alguna población de bacterias para que ellas se encarguen de sintetizar a las proteínas. Posteriormente seleccionamos a aquellas bacterias que logren crecer en un medio de cultivo que contenga el antibiótico. Solamente crecerán aquellas bacterias que contengan alguna copia del gen que ha "evolucionado" para sintetizar una enzima capaz de degradar el antibiótico. Hemos hecho evolución dirigida.
En este ejemplo de evolución dirigida se ha hecho una migración catalítica para que la enzima reconozca otro sustrato y lleve a cabo una reacción bioquímica diferente. En la naturaleza también se ha dado este tipo de evolución en la enzima DD peptidasa para poder degradar al antibiótico penicilina. Este tipo de evolución molecular de la DD peptidasa a generado que las bacterias se vuelvan resistentes a la penicilina y puedan proliferar dentro del hospedero causándole una enfermedad infecciosa.
Por supuesto que no queremos evolucionar genes bacterianos para que degraden antibióticos (u otros medicamentos) causando daño a las personas. Pero este ejemplo nos sirve para comprender el potencial que tiene la evolución dirigida. Otra aplicación más benéfica de este proceso es la migración catalítica de enzimas para que reconozcan compuestos químicos derivados del petróleo y que son contaminantes ambientales. Al hacer evolución dirigida de enzimas para que degraden estos compuestos podemos hacer una limpieza de derrames petroleros de manera efectiva. También podemos degradar compuestos xenobióticos (hechos por el hombre, es decir, no naturales) que, al estar en el medio ambiente, resultan tóxicos para los seres vivos. Estos procedimientos de limpieza los llamamos biorremediación.
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Divulgación científica, expandiendo las fronteras del conocimiento
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