Un mecanismo para promover la diversidad

El cambio es una constante. Desde la canción con la que nos despertamos en la mañana, el menú de la fonda, o a quién le toca ser el portero de la selección. Desde un enfoque evolutivo, el cambio constante del ambiente impone una fuerza de selección sobre los organismos. Si no logras soportar mucho calor, o mucha lluvia, o un depredador, o una toxina, o un antibiótico, puede que no sobrevivas a la siguiente generación. Que tu linaje se termine.

Gran parte de la respuesta de un organismo a los cambios en el ambiente -si puede soportar el calor, o un antibiótico- está codificada en sus genes. Imaginemos una bacteria que intenta sobrevivir a la presencia de un antibiótico. Si tienes uno o varios genes que te permiten ser inmune, obviamente te conviene tener esos genes en tu genoma.

Ahora, el genoma de las bacterias no es como el nuestro. Las bacterias no tienen núcleo dentro de su célula y el genoma se organiza comúnmente en un cromosoma y varios plásmidos. Los plásmidos están formados, al igual que los cromosomas, de ADN, y contienen genes; pero son más pequeños, suelen ser circulares, y están presentes en varias copias dentro de una misma célula.

“Los cromosomas tienen genes de funciones básicas, como sería de mantenimiento celular” comenta el Dr. Rafael Peña Miller, investigador del CCG del laboratorio de Biología de Sistemas y Biología Sintética. “Los plásmidos poseen genes que tienen que ver más con la plasticidad”, con la respuesta al ambiente fluctuante. “Si uno lo piensa en la teoría clásica -continúa Rafael- los plásmidos no tendrían por qué existir. Si están portando genes benéficos, uno esperaría que esos genes fueran adoptados por el cromosoma, y así la bacteria se ahorra el costo de tener un plásmido. Y si no tiene genes benéficos, entonces ¿para qué tener ese plásmido con esos genes? La existencia de los plásmidos parece ser una paradoja”.

Volvamos a los antibióticos. Si tienes uno o varios genes que te permiten tener una resistencia a ellos, obviamente te conviene tener esos genes en tu genoma. Pero sólo cuando el antibiótico está presente. Tener demasiados genes también es un inconveniente. Si tienes los genes que te ayudan a sobrevivir altas temperaturas, y los genes que te hacen resistente a un antibiótico, y los que te hacen inmune a una toxina, y otros para otros embates del medio ambiente… entonces vas a gastar demasiados recursos en tener un genoma muy voluminoso. En ausencia de una presión de selección fuerte, otras bacterias con genomas pequeños que se tarden menos en dividir, se multiplicarán más rápido y te desplazarán poco a poco.

Así que hay que tomar decisiones. ¿Cuáles genes conservar? ¿Cuáles perder? Para conocer esto, Rafael y su equipo realizaron un experimento en conjunto con el grupo del Dr. Álvaro San Millán del departamento de microbiología del Hospital Universitario Ramón y Cajal, en Madrid, España. En estos experimentos, realizados con la bacteria E. coli, generaron tres tipos de bacterias: la primera, llamada G1, tiene plásmidos con un gen que confiere resistencia a la ampicilina, un tipo de antibiótico. El segundo tipo de bacterias tienen un plásmido con un gen que las hace resistentes a otro antibiótico, la ceftazidima; a estas bacterias las llamaron R12. Por último, el tercer tipo de bacterias tenía una combinación de los dos plásmidos anteriores, por lo cual eran resistentes a ambos antibióticos; estas bacterias se llaman HT. Y no sólo esto, cada plásmido genera también una proteína fluorescente que permite saber fácilmente -con ayuda de un microscopio- cuales plásmidos tiene cada bacteria. Las G1 se pintan de color verde, mientras que las R12 se pintan de color rojo, y las HT se pintan de color naranja (como se aprecia en la imagen de portada).

Entonces G1 es resistente a ampicilina, R12 a ceftazidima, y HT a ambos. Mientras cada tipo de bacteria viva en un ambiente en el que esté presente el antibiótico al que es resistente, no tendrán mucho problema. Vivirán la vida normal de una bacteria en la que crecen y se reproducen. Pero recordemos que todo cambia. ¿Qué pasa si cambia el ambiente? ¿Cómo reaccionaran las poblaciones de bacterias?

El siguiente experimento era poner a competir poblaciones de bacterias. Se colocó una población grande de bacterias del tipo G1 en un ambiente con ceftazidima, el antibiótico para el que no son resistentes, y se añadió también una población pequeña de R12 -que sí es resistente a ese antibiótico-. Sucedió lo esperado, rápidamente -en muy pocas generaciones- R12 ganó la competencia y colonizó todo el medio ambiente.


Esquema del experimento

Ahora una variación. Se colocó una población grande de bacterias del tipo G1 en un ambiente con ceftazidima, pero ahora se añadió una pequeña población de bacterias HT. ¿Qué sucedió? Las bacterias HT no colonizaron por completo el ambiente, sino que empezaron a aparecer bacterias del tipo R12. ¿Cómo sucedió? Cuando una bacteria se divide, se asegura de tener en cada bacteria hija, una copia de cada uno de sus cromosomas -o de su único cromosoma-. Con muchos plásmidos no sucede lo mismo. Los plásmidos, como mencioné arriba, tienen varias copias de sí mismos dentro de la célula bacteriana, y cuando la célula se divide, cada célula hija por puro azar se lleva un número variable de copias de los plásmidos. Pero cuando los plásmidos son distintos entre sí, como en el caso de las bacterias HT que tienen plásmidos resistentes a ampicilina y plásmidos resistentes a ceftazidima, puede que algunas células hijas les toque un solo tipo de plásmido. Generando hijas que serían del tipo G1 -que en este ambiente morirían al no ser resistentes al antibiótico presente-, o hijas R12, que deberían de haber colonizado ese ambiente por completo. ¿Por qué, a pesar de tener bacterias del tipo R12, se seguían viendo en la población bacterias del tipo HT?

La propuesta que hacen Rafael y su grupo -junto con sus colegas de España- es que los plásmidos que tienen muchas copias son un mecanismo para mantener la diversidad genética. Y la diversidad es la mejor respuesta al cambio y a muchas otras interrogantes.

“Los plásmidos de muchas copias tienen ventajas” me dice Rafael. “Al tener muchas copias de los mismos genes, tienen una mayor probabilidad de mutación, y por lo tanto de generar más diversidad genética” como una nueva resistencia a algún antibiótico. En este caso, permiten mantener en la población bacteriana al plásmido con la resistencia a la ampicilina.

Volvamos al cambio, supongamos que el ambiente cambia de nuevo. Si en el ambiente experimental se vuelve a introducir la ampicilina, la población con los dos genes es más resilente al cambio. Si se les pone un antibiótico distinto, tienen suficientes copias de los genes de resistencia como para que surja una nueva resistencia. “Debemos de recordar que la selección sucede al nivel de poblaciones, no de individuos” añade Rafael.

Rafael y sus colaboradores -entre ellos la investigadora Ayari Fuentes, también del CCG-, quienes publicaron sus resultados en la revista Nature Ecology and Evolution el 9 de abril del 2018, vaciaron lo observado en el laboratorio en un modelo matemático. “Nos dimos cuenta que los plásmidos multicopia promueven la coexistencia de distintos tipos de rasgos, permitiéndole a la bacteria no tener que eliminar algunos genes que en ese momento no son necesarios” me explica Rafael. Los plásmidos con muchas copias son un excelente mecanismo para mantener y generar diversidad, eso explica su existencia.

¿Qué sigue? Claramente la investigación de Rafael y su grupo no termina aquí. “Para continuar con este proyecto, vamos a estudiar células individuales” me cuenta Carlos “Charly” Hernández Beltrán, estudiante de doctorado, “en este artículo tomamos un promedio de lo que está pasando en la población. Puede que un subgrupo se comporte de una manera muy diferente al resto de la población, estudiando células individuales podemos estudiar las diferencias”.

Estos resultados también ayudarán a mejorar el modelo matemático con el que trabajan actualmente. Charly es egresado de la licenciatura en ciencias genómicas y estudió también la carrera de matemáticas, convirtiéndolo en el estudiante indicado para unir estas dos disciplinas. “Bueno, no sé si sea el indicado -me contesta Charly- Rafael tiene una formación muy parecida, pero lo que me motivó a trabajar con ellos es que compartimos la misma pasión por trabajar con estas disciplinas”. “Charly es muy bueno con las matemáticas” declara Rafael, “y también ha tenido buenos resultados en el laboratorio. Es como un buen centro delantero, puede que pase un par de jornadas sin gol, pero lo está buscando y sus rachas son bastante buenas”.

El cambio es constante, y la mejor manera de sobrevivirlo es siendo diverso. Para ser diverso, debemos de tener y fomentar mecanismos que mantengan esa diversidad. Tal vez sea una buena lección para nosotros mismos. Necesitamos medios eficaces para promover y mantener la diversidad. En todos los aspectos, no sólo de bacterias, sino la diversidad en nuestras dietas, nuestras lenguas, nuestros cultivos, nuestra cultura, nuestra sexualidad. Seguramente nos daría una ventaja evolutiva y nos volvería más resilentes.


Movimiento de las bacterias marcadas durante los experimentos

Redacción: Agustín B. Ávila Casanueva.

Fuente: Rodriguez-Beltran, J., Hernandez-Beltran, J. C., Delafuente, J., Escudero, J. A., Fuentes-Hernandez, A., Maclean, R. C., . . . Millan, A. S. (2018). Multicopy plasmids allow bacteria to escape from fitness trade-offs during evolutionary innovation. Nature Ecology & Evolution, 2(5), 873-881. doi:10.1038/s41559-018-0529-z

Imagen de portada: Bacterias utilizadas en el experimento. Bacterias del tipo R12 se pintan de color rojo, bacterias del tipo G1 se pintan de color verde, y bacterias HT se pintan color naranja. Imagen de microscopio de fluorescencia. Crédito: J Carlos Hernández-Beltrán.

GIF: Células bacterianas del tipo G1 nadando, buscando comida. Video conectado a microscopio de fluorescencia. Crédito: J Carlos Hernández-Beltrán.