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Observación de la evolución de las bacterias en el laboratorio
Utilizando nuevas y rápidas tecnologías de secuenciación de ADN, los investigadores de la Universidad de California-San Diego siguieron los cambios evolutivos en E. coli cultivado en condiciones estresantes. Pudieron identificar qué genes mutaron, cuándo y cuáles fueron los efectos en el crecimiento de las bacterias. Los investigadores dicen que la técnica, llamada evolución experimental, ayudará a quienes intentan aprender a manipular bacterias genéticamente para producir altas concentraciones de etanol y otras sustancias químicas útiles (ver Fábricas de bacterias).
Bacterias como E. coli evolucionan relativamente rápido: se dividen rápida y descuidadamente, transmitiendo copias llenas de errores de su información genética a la siguiente generación. Utilizando nueva tecnología de microarrays, Bernhard Palsson, profesor de bioingeniería, y sus colegas estudiaron esta rápida evolución en escalas de tiempo muy cortas con un alto nivel de detalle.
El avance podría ser particularmente útil para los biólogos sintéticos que están rediseñando bacterias para darles funciones novedosas. Este enfoque nos dará nuevos conocimientos sobre la respuesta adaptativa [de los organismos] a las partes sintéticas que se introducen, como genes novedosos o redes de genes, dice James Collins , profesor de ingeniería biomédica en la Universidad de Boston. Los investigadores están incorporando piezas tan nuevas para controlar mejor la síntesis microbiana de un compuesto particular útil para los seres humanos. (Por ejemplo, los investigadores han diseñado levadura que produce un medicamento contra la malaria; consulte Medicamentos más baratos contra la malaria).
En un conjunto de experimentos, Palsson y sus compañeros de trabajo proporcionaron E. coli solo con glicerol, que los microbios no metabolizan muy bien, para la nutrición. Las células crecieron lentamente al principio, pero después de 20 días, crecieron un 150 por ciento más rápido y a los 44 días estaban prosperando. Aquellos que eran más aptos para el medio ambiente se apoderaron de la cultura, dice Christopher Herring, quien trabajó en la investigación como postdoctorado en el laboratorio de Palsson. Hubo cambios drásticos en lo [bien] que crecieron las células en un corto período de tiempo.
La evolución experimental podría resultar una herramienta poderosa para los investigadores que trabajan en ingeniería metabólica, dice Herring. Las redes genéticas del metabolismo son complejas e incluyen elementos que los investigadores tendrían dificultades para predecir. Herring dice que la evolución experimental puede mostrar conexiones entre diferentes sistemas fisiológicos [que] no conocíamos antes. Herring es ahora un científico investigador en Cambridge, MA. Mascoma , que espera diseñar microorganismos que conviertan de manera eficiente la biomasa en etanol (consulte Rediseño de la vida para producir etanol).
Collins dice que la ingeniería metabólica a menudo se realiza de manera irracional. Cuando los investigadores introducen nuevas partes en bacterias o levaduras, no saben si se han introducido otras mutaciones, y mucho menos cómo pueden estar involucradas otras vías. La secuenciación comparativa del genoma podría proporcionar este tipo de información, lo que permitiría a los investigadores predecir mejor los efectos de los cambios genéticamente modificados e identificar rápidamente qué cambios conducen a atributos favorables.
Gregory Stephanopoulos , ingeniero químico del MIT y líder en el campo de la ingeniería metabólica, es más escéptico sobre el impacto del enfoque de San Diego. Secuenciar genomas y analizarlos para encontrar mutaciones relevantes no es el problema, dice. En el experimento de crecimiento de Palsson y Herring, era obvio que E. coli que crecieron bien, valía la pena volver a secuenciar para encontrar las mutaciones relevantes, dice. Pero cuando se trabaja en un problema complejo como mejorar la eficiencia de producción de etanol de un microbio, dice, en algunos casos se pueden identificar cepas superiores, pero en general no es sencillo.
Aún así, Stephanopoulos y los demás dicen que la secuenciación comparativa del genoma ahora puede ayudar a los investigadores a atribuir cambios en los rasgos de los microbios (como la capacidad de prosperar con glicerol) a cambios en el genotipo. Al hacerlo, la tecnología podría ayudar a los microbiólogos y las compañías farmacéuticas a estudiar cómo surgen las cepas de bacterias resistentes a los antibióticos, un problema de salud importante, y qué mutaciones son las responsables.