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

En un laboratorio en Atlanta, miles de células de levadura luchan por sobrevivir todos los días. Los organismos que viven un día más crecen más rápido, se reproducen más rápido y forman las aglomeraciones más grandes. Durante aproximadamente una década, las células han evolucionado para unirse entre sí, formando formas ramificadas de copos de nieve.

Estos extraños copos de nieve están en el centro de los experimentos que exploran lo que podría haber sucedido hace millones de años cuando los organismos unicelulares se unieron para convertirse en multicelulares. Este proceso, sin embargo, finalmente condujo a criaturas tan fantásticamente poco prácticas y extrañas como pulpos, avestruces, hámsteres y humanos.

Aunque se cree que la multicelularidad evolucionó al menos 20 veces en la historia de la vida en la Tierra, no está claro cómo los organismos pasaron de una sola célula a muchos organismos que comparten un mismo destino. Pero en Un artículo de investigación publicado el miércoles en la revista NatureLos investigadores revelan una pista sobre cómo las células comienzan a construirse en el cuerpo. El equipo que produjo la levadura Snowflake descubrió que, durante más de 3000 generaciones, los grupos de levadura habían crecido tanto que podían verse a simple vista. En el camino, ha evolucionado de un material blando y esponjoso a algo con la dureza de la madera.

Will Ratcliffe, profesor de Georgia Tech, comenzó a experimentar con levadura cuando estaba en la escuela de posgrado. Se inspiró en Richard Lenski, biólogo de la Universidad de Michigan, y colegas que cultivaron 12 cepas de E. coli a lo largo de más de 75 000 generaciones y documentaron desde 1988 cómo cambiaban las poblaciones. El Dr. Ratcliffe se preguntó si el estudio de la evolución que anima a las células a mantenerse juntas podría arrojar luz sobre los orígenes de la pluricelularidad.

«Todos los linajes que conocemos que han evolucionado a la multicelularidad», dijo, «han dado este paso hace cientos de millones de años». «Y no tenemos mucha información sobre cómo las células individuales forman grupos».

Así que hizo un experimento simple. Cada día, rotaba las células de levadura en un tubo de ensayo, absorbiendo las que se hundían más rápido hasta el fondo, y luego las usaba para hacer crecer la población de levadura al 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, ha surgido la levadura de copo de nieve. Cuando estas levaduras se dividen, gracias a la mutación, no se separan completamente unas de otras. En cambio, forman estructuras ramificadas de células genéticamente idénticas. La levadura se ha vuelto multicelular.

Pero Ratcliffe descubrió que los copos de nieve, mientras continuaba investigando, no parecían haberse vuelto muy grandes y permanecían obstinadamente microscópicos. Le da crédito a Ozan Bozdag, un investigador postdoctoral de su grupo, por el avance en el oxígeno o hipoxia.

Para muchos seres vivos, el oxígeno sirve como una especie de combustible para cohetes. La energía almacenada en los azúcares es fácilmente accesible.

El Dr. Bozdag le dio oxígeno a algunas de las levaduras del experimento y trasplantó otras que tenían una mutación que les impedía usarla. Encontró que en el transcurso de 600 transferencias, la levadura deficiente en oxígeno explotó en volumen. Sus copos de nieve crecieron y crecieron, y finalmente se hicieron visibles a simple vista. Un examen minucioso de las formulaciones reveló que las células de levadura eran mucho más largas de lo normal. Las ramas habían crecido entrelazadas en un grupo denso.

Los científicos creen que esta densidad puede explicar por qué el oxígeno es una barrera para el crecimiento de la levadura. Para la levadura que podía usar oxígeno, aumentar su volumen tenía grandes desventajas.

Mientras los copos de nieve se mantuvieran pequeños, las células generalmente tenían el mismo acceso al oxígeno. Pero los empastes grandes y densos significan que las células dentro de cada bulto no tienen oxígeno.

La levadura que no puede usar oxígeno, por el contrario, no tiene nada que perder, por lo que se hizo grande. Los resultados indican que alimentar todas las células de un grupo es una parte importante de las compensaciones que enfrenta un organismo a medida que se vuelve multicelular.

Los grupos formados también son difíciles.

«La cantidad de energía necesaria para romper estas cosas ha aumentado en más de un millón», dijo Peter Junker, profesor de Georgia Tech y coautor del artículo.

Este poder puede ser la clave para otro paso en el desarrollo de la multicelularidad, dice el Dr. Ratcliffe, el desarrollo de algo así como un sistema circulatorio. Si las células dentro de una gran masa necesitan ayuda para acceder a los nutrientes, la clave es un objeto lo suficientemente fuerte como para dirigir el flujo de fluidos.

«Es como disparar una manguera contra incendios a una masa de levadura», dijo el Dr. Juncker. Si la masa celular es pobre, esta entrada de nutrientes la destruirá antes de que todas las células puedan alimentarse.

El equipo ahora está explorando si los grupos densos de levadura de copo de nieve podrían desarrollar formas de entregar nutrientes a sus órganos más internos. Si es así, entonces estas levaduras en sus tubos de ensayo en Atlanta pueden decirnos algo sobre cómo era, hace eones, cuando sus antepasados ​​y muchos organismos a su alrededor comenzaron a construir cuerpos a partir de células.