Un experimento repetido 600 veces encuentra pistas sobre los secretos de la evolución

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Los copos de nieve de levadura en un laboratorio ofrecen información sobre cómo la vida en la Tierra hizo la transición de organismos unicelulares a organismos multicelulares.

Por Veronique Greenwood

En un laboratorio en Atlanta, miles de células de levadura luchan por sus vidas todos los días. Los que viven un día más crecen más rápido, se reproducen más rápido y forman los grupos más grandes. Durante aproximadamente una década, las células han evolucionado para colgarse unas de otras, formando formas ramificadas de copos de nieve.

Estos extraños copos de nieve están en el corazón de los experimentos que exploran lo que podría haber sucedido hace millones de años cuando las criaturas unicelulares se unieron por primera vez para convertirse en multicelulares. Ese proceso, sin embargo, resultó en organismos difíciles de manejar y fabulosamente extraños como pulpos, avestruces, hámsteres y humanos.

Aunque se cree que la multicelularidad ha evolucionado al menos 20 veces en la historia de la vida en la Tierra, está lejos de ser obvio cómo los seres vivos pasan de una sola célula a muchas que comparten un destino. Pero, en un artículo publicado el miércoles en la revista Nature, los investigadores revelan una pista sobre cómo las células podrían comenzar a construir un cuerpo. El equipo que produjo la levadura de copos de nieve descubrió que durante 3000 generaciones, los grumos de levadura crecieron tanto que podían verse a simple vista. En el camino, evolucionaron de una sustancia blanda y blanda a algo con la dureza de la madera.

Will Ratcliff, profesor de Georgia Tech, comenzó los experimentos con levadura cuando estaba en la escuela de posgrado. Se inspiró en Richard Lenski, biólogo de la Universidad Estatal de Michigan, y sus colegas que han cultivado 12 viales de E. coli a lo largo de más de 75 000 generaciones, documentando desde 1988 cómo han cambiado las poblaciones. El Dr. Ratcliff se preguntó si un estudio de la evolución que alentara a las células a mantenerse juntas podría arrojar luz sobre los orígenes de la multicelularidad.

"Todos los linajes que conocemos de esa multicelularidad evolucionada, dieron este paso hace cientos de millones de años", dijo. "Y no tenemos mucha información sobre cómo las células individuales forman grupos".

Así que preparó un experimento simple. Todos los días, removía células de levadura en un tubo de ensayo, absorbía las que se hundían más rápido hasta el fondo y luego las usaba para hacer crecer la población de levadura del día siguiente. Razonó que si seleccionaba a los individuos o grupos de células más pesados, habría un incentivo para que la levadura desarrollara una forma de mantenerse unida.

Y funcionó: dentro de los 60 días, apareció la levadura de copo de nieve. Cuando estas levaduras se dividen, gracias a una mutación, no se separan completamente unas de otras. En cambio, forman estructuras ramificadas de células genéticamente idénticas. La levadura se había vuelto multicelular.

Pero los copos de nieve, descubrió el Dr. Ratcliff mientras continuaba con la investigación, nunca parecían volverse muy grandes, permaneciendo obstinadamente microscópicos. Le da crédito a Ozan Bozdag, un investigador postdoctoral de su grupo, por un gran avance relacionado con el oxígeno, o la falta del mismo.

Para muchos organismos, el oxígeno funciona como una especie de combustible para cohetes. Facilita el acceso a la energía almacenada en los azúcares.

El Dr. Bozdag le dio oxígeno a algunas levaduras en el experimento y cultivó otras que tenían una mutación que les impedía usarla. Encontró que en el transcurso de 600 transferencias, la levadura que carecía de oxígeno explotó en tamaño. Sus copos de nieve crecieron y crecieron, y finalmente se hicieron visibles a simple vista. Un examen más detenido de las estructuras reveló que las células de levadura eran mucho más largas de lo normal. Las ramas se habían enredado, formando un grupo denso.

Esa densidad podría explicar por qué el oxígeno parece haber sido un impedimento para el crecimiento de la levadura, piensan los científicos. Para la levadura que podía usar oxígeno, crecer tenía desventajas significativas.

Mientras los copos de nieve se mantuvieran pequeños, las células generalmente tenían el mismo acceso al oxígeno. Pero los tacos grandes y densos significaban que las células dentro de cada grupo estaban aisladas del oxígeno.

La levadura que no podía usar oxígeno, por el contrario, no tenía nada que perder, por lo que se hizo grande. El hallazgo sugiere que alimentar a todas las células en un grupo es una parte crucial de las compensaciones que enfrenta un organismo a medida que se vuelve multicelular.

Los racimos que se formaron también son duros.

"La cantidad de energía necesaria para romper estas cosas ha aumentado en un factor de un millón", dijo Peter Yunker, profesor de Georgia Tech y coautor del artículo.

Esa fuerza puede ser la clave para otro paso en el desarrollo de la multicelularidad, dice el Dr. Ratcliff: el desarrollo de algo así como un sistema circulatorio. Si las células en el interior de un grupo grande necesitan ayuda para acceder a los nutrientes, la clave es un cuerpo que sea lo suficientemente fuerte como para canalizar un flujo de líquido.

"Es como disparar una manguera contra incendios en un grupo de levadura", dijo el Dr. Yunker. Si el grupo celular es débil, ese flujo de nutrientes lo destruirá antes de que cada célula se alimente.

El equipo ahora está explorando si los grupos densos de levadura de copo de nieve podrían desarrollar formas de llevar nutrientes a sus miembros más internos. Si lo hacen, esta levadura en sus tubos de ensayo en Atlanta podría decirnos algo sobre cómo era, hace eones, cuando sus antepasados ​​y muchos seres vivos a su alrededor comenzaron a construir cuerpos a partir de células.

Una versión anterior de este artículo declaró erróneamente la afiliación de un biólogo. Richard Lenski está en la Universidad Estatal de Michigan, no en la Universidad de Michigan.

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