La firma selectiva de los genes ayudan a identificar la selección natural en la evolución microbiana
Los microbios, las más antiguas y numerosas criaturas de la Tierra, tienen una rica historia genómica que ofrece pistas de los cambios del entorno producidos a lo largo de cientos de millones de años.
Si bien los científicos son cada vez más conscientes de las muchas e importantes funciones ambientales que desempeñan los microbios actuales- procesos como el de la alimentación en nuestro intestino, el mantimiento del ciclo del carbono en la red alimenticia oceánica, y pueden ser aprovechados para proceso de las aguas residuales y la construcción de proteínas específicas -- Pero todavía hoy se sabe poco acerca de estas pequeñas criaturas, en particular de los microbios marinos, que en general se clasifican en especies basadas en su nicho ecológico. Por ejemplo, hay dos especies de microbios marinos que puede tener un aspecto muy similar físicamente, pero uno puede estar adaptado a la vida en una parte oscura del océano, mientras que su hermano puede ser de una especie adaptada a la alimentación de un nutriente que es rara en la mayor parte de la Océano, pero que existe en abundancia en un área pequeña.
Los científicos del MIT están tratando de entender los microbios de hoy mediante el estudio de su historia genética, un nuevo enfoque para el estudio de los genomas microbianos que puede acelerar nuestra comprensión colectiva de la evolución microbiana.
Los investigadores han invertido el orden usual de investigación, que era el estudio de un organismo, para después tratar de identificar los genes y proteínas que están involucradas en unas determinadas funciones. En lugar de ello, han ideado una sencilla fórmula matemática que permite analizar una familia completa de genes (un solo tipo de gen o proteína que existe en muchas criaturas) simultáneamente en un grupo de especies ecológicamente distintas.
Esto significa que podemos empezar a identificar las soluciones de la selección natural en la evolución de un organismo simplemente mirando en su genoma y comparándolo con otros muchos a la vez. Esto les permitirá beneficiarse de los casi 2500 microbios cuyos genomas ya han sido secuenciados.
El nuevo método permite determinar el "firma selectiva" de un gen, es decir, el patrón de rápida o lenta evolución de los genes a través de un grupo de especies, y que firma utiliza para inferir la función de genes o cambios en su mapa cuando varía el medio ambiente de un organismo .
"Al comparar varias especies, se buscaron cambios en los genes que reflejen el proceso de la selección natural y luego se preguntaron," ¿Cómo funciona este gen relacionado con la ecología donde se produce la especie? ' Según Eric Alm, el Profesor Asistente de Doherty en utilización de los Océanos en Los Departamentos de Ingeniería Civil y Ambiental y de Ingeniería Biológica. La selección natural ocurre cuando una mutación genética aleatoria ayuda a un organismo a sobrevivir y se convierte en un elemento fijo de la población. "El método de firma selectiva también nos permite concentrarnos en una sola especie y comprender mejor las presiones selectivas sobre él", dijo Alm.
"Nuestra esperanza es que otros investigadores utilicen esta herramienta y que se aplique a conjuntos de especies relacionadas con el genoma secuenciado en su totalidad para comprender las bases genéticas de esa divergencia ecológica", dijo el estudiante graduado Jesse B. Shapiro, que es coautor con Alm de un documento publicado en La edición de febrero de PLoS Genetics.
Su trabajo también sugiere que la evolución se produce en módulos funcionales - genes que tal vez no están juntos en el genoma, sino que codifican proteínas que desempeñan funciones similares.
"Cuando vemos resultados similares a través de todos los genes en un determinado camino, se nos sugiere que el "paisaje genómico" puede ser organizado en módulos funcionales incluso en el nivel de la selección natural", dijo Alm. "Si eso es verdad, puede ser más fácil de lo esperado entender las complejas presiones de la evolución"
Por ejemplo, en la Idiomarina loihiensis, una bacteria marina que se ha adaptado a la vida cerca de fuentes hidrotermales sulfurosas en el suelo oceánico, los genes implicados en el metabolismo del azúcar y el aminoácido fenilalanina experimentaron cambios significativos (durnate más de cientos de millones de años) que ayudan a la Bacteria a obtener carbono de los aminoácidos en lugar de azúcares, una necesidad para la vida en ese nicho ecológico. En una especie-hermana, la Colwellia psychrerythraea, algunos de esos mismos genes se han perdido por completo, una indicación de que el metabolismo del azúcar ya no es importante para la Colwellia.
Shapiro y Alm se han centrado en 744 familias de proteínas entre 30 especies de gamma-proteobacteria que compartian un ancestro común hace uno o dos millones de años. Estas bacterias son el organismo que sirve de modelo de laboratorio E. coli, así como los parásitos intracelulares de los áfidos y los agentes patógenos, como la bacteria que causa el cólera o las bacterias del suelo y las plantas. Se preparó un mapa de la distancia evolutiva de cada especie desde ese ancestro y se incorporo la información sobre la familia de genes (por ejemplo, proteínas importantes que evolucionan más lentamente, de forma menos vital) y la tasa normal de la evolución del genoma de una especie en particular con el fin de determinar su firma selectiva Genética .
"Estos son experimentos que jamás podrían realizarse en un laboratorio", dijo Alm. "Pero la madre naturaleza ha puesto los genes en un entorno y ha ejecutado un experimento evolutivo e más de miles de millones de años. Lo que estamos haciendo es generar datos para ver si los genes que desempeñan una función similar, por ejemplo la motilidad, evolucionan al mismo ritmo en las distintas especies . En la medida en que se diferencian, esto nos ayuda a entender cómo los cambios de las unidades funcionales en genes fundamentales crean la divergencia entre las especies a través del árbol de la vida. "
Si bien los científicos son cada vez más conscientes de las muchas e importantes funciones ambientales que desempeñan los microbios actuales- procesos como el de la alimentación en nuestro intestino, el mantimiento del ciclo del carbono en la red alimenticia oceánica, y pueden ser aprovechados para proceso de las aguas residuales y la construcción de proteínas específicas -- Pero todavía hoy se sabe poco acerca de estas pequeñas criaturas, en particular de los microbios marinos, que en general se clasifican en especies basadas en su nicho ecológico. Por ejemplo, hay dos especies de microbios marinos que puede tener un aspecto muy similar físicamente, pero uno puede estar adaptado a la vida en una parte oscura del océano, mientras que su hermano puede ser de una especie adaptada a la alimentación de un nutriente que es rara en la mayor parte de la Océano, pero que existe en abundancia en un área pequeña.
Los científicos del MIT están tratando de entender los microbios de hoy mediante el estudio de su historia genética, un nuevo enfoque para el estudio de los genomas microbianos que puede acelerar nuestra comprensión colectiva de la evolución microbiana.
Los investigadores han invertido el orden usual de investigación, que era el estudio de un organismo, para después tratar de identificar los genes y proteínas que están involucradas en unas determinadas funciones. En lugar de ello, han ideado una sencilla fórmula matemática que permite analizar una familia completa de genes (un solo tipo de gen o proteína que existe en muchas criaturas) simultáneamente en un grupo de especies ecológicamente distintas.
Esto significa que podemos empezar a identificar las soluciones de la selección natural en la evolución de un organismo simplemente mirando en su genoma y comparándolo con otros muchos a la vez. Esto les permitirá beneficiarse de los casi 2500 microbios cuyos genomas ya han sido secuenciados.
El nuevo método permite determinar el "firma selectiva" de un gen, es decir, el patrón de rápida o lenta evolución de los genes a través de un grupo de especies, y que firma utiliza para inferir la función de genes o cambios en su mapa cuando varía el medio ambiente de un organismo .
"Al comparar varias especies, se buscaron cambios en los genes que reflejen el proceso de la selección natural y luego se preguntaron," ¿Cómo funciona este gen relacionado con la ecología donde se produce la especie? ' Según Eric Alm, el Profesor Asistente de Doherty en utilización de los Océanos en Los Departamentos de Ingeniería Civil y Ambiental y de Ingeniería Biológica. La selección natural ocurre cuando una mutación genética aleatoria ayuda a un organismo a sobrevivir y se convierte en un elemento fijo de la población. "El método de firma selectiva también nos permite concentrarnos en una sola especie y comprender mejor las presiones selectivas sobre él", dijo Alm.
"Nuestra esperanza es que otros investigadores utilicen esta herramienta y que se aplique a conjuntos de especies relacionadas con el genoma secuenciado en su totalidad para comprender las bases genéticas de esa divergencia ecológica", dijo el estudiante graduado Jesse B. Shapiro, que es coautor con Alm de un documento publicado en La edición de febrero de PLoS Genetics.
Su trabajo también sugiere que la evolución se produce en módulos funcionales - genes que tal vez no están juntos en el genoma, sino que codifican proteínas que desempeñan funciones similares.
"Cuando vemos resultados similares a través de todos los genes en un determinado camino, se nos sugiere que el "paisaje genómico" puede ser organizado en módulos funcionales incluso en el nivel de la selección natural", dijo Alm. "Si eso es verdad, puede ser más fácil de lo esperado entender las complejas presiones de la evolución"
Por ejemplo, en la Idiomarina loihiensis, una bacteria marina que se ha adaptado a la vida cerca de fuentes hidrotermales sulfurosas en el suelo oceánico, los genes implicados en el metabolismo del azúcar y el aminoácido fenilalanina experimentaron cambios significativos (durnate más de cientos de millones de años) que ayudan a la Bacteria a obtener carbono de los aminoácidos en lugar de azúcares, una necesidad para la vida en ese nicho ecológico. En una especie-hermana, la Colwellia psychrerythraea, algunos de esos mismos genes se han perdido por completo, una indicación de que el metabolismo del azúcar ya no es importante para la Colwellia.
Shapiro y Alm se han centrado en 744 familias de proteínas entre 30 especies de gamma-proteobacteria que compartian un ancestro común hace uno o dos millones de años. Estas bacterias son el organismo que sirve de modelo de laboratorio E. coli, así como los parásitos intracelulares de los áfidos y los agentes patógenos, como la bacteria que causa el cólera o las bacterias del suelo y las plantas. Se preparó un mapa de la distancia evolutiva de cada especie desde ese ancestro y se incorporo la información sobre la familia de genes (por ejemplo, proteínas importantes que evolucionan más lentamente, de forma menos vital) y la tasa normal de la evolución del genoma de una especie en particular con el fin de determinar su firma selectiva Genética .
"Estos son experimentos que jamás podrían realizarse en un laboratorio", dijo Alm. "Pero la madre naturaleza ha puesto los genes en un entorno y ha ejecutado un experimento evolutivo e más de miles de millones de años. Lo que estamos haciendo es generar datos para ver si los genes que desempeñan una función similar, por ejemplo la motilidad, evolucionan al mismo ritmo en las distintas especies . En la medida en que se diferencian, esto nos ayuda a entender cómo los cambios de las unidades funcionales en genes fundamentales crean la divergencia entre las especies a través del árbol de la vida. "
NOTICIA ORIGINAL EN INGLÉS DEL MIT
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