Durante mucho tiempo, la historia de la evolución se ha centrado en el azar: las mutaciones llegan sin un plan y la selección natural conserva a los más aptos. Esta visión no es incorrecta, pero es incompleta.
Un estudio reciente demuestra que algunas partes de la evolución parecen ordenadas. No todos los resultados genéticos son un lanzamiento de moneda. Algunos genes tienden a aparecer juntos, mientras que otros permanecen separados.
Estas tendencias añaden estructura a la forma en que los genomas cambian con el tiempo, haciendo que la evolución sea predecible hasta cierto punto.
Descifrando el pangenoma
Las especies bacterianas portan dos tipos de genes: un conjunto central compartido por todos los miembros y un conjunto accesorio que varía de una cepa a otra. La colección completa se denomina pangenoma.
Los genes accesorios son importantes porque las bacterias pueden intercambiarlos a través de la transferencia horizontal de genes. Este proceso difunde rápidamente rasgos útiles, incluyendo la resistencia a los antibióticos, nuevas formas de utilizar nutrientes y herramientas para manejar el estrés.
El estudio fue liderado por el Profesor James McInerney y la Dra. Alan Beavan de la Escuela de Ciencias de la Vida de la Universidad de Nottingham, y la Dra. Maria Rosa Domingo-Sananes de la Universidad Nottingham Trent.
“Las implicaciones de esta investigación son nada menos que revolucionarias”, afirmó el Profesor McInerney, el autor principal del estudio.
“Al demostrar que la evolución no es tan aleatoria como pensábamos, hemos abierto la puerta a una serie de posibilidades en la biología sintética, la medicina y la ciencia ambiental.”
Utilizando la IA para hacer predicciones genéticas
Los investigadores recopilaron miles de genomas de E. Coli y registraron qué genes accesorios porta cada cepa. Transformaron esto en una gran matriz de presencia-ausencia, con filas para las cepas y columnas para los genes.
Entrenaron un método de aprendizaje automático llamado bosque aleatorio para predecir si un gen está presente basándose en el resto del perfil de genes accesorios del genoma. Entrenaron y probaron el modelo muchas veces para evitar divisiones aleatorias.
El modelo tuvo éxito en una parte sustancial del genoma accesorio. Podría predecir de forma fiable la presencia o ausencia de muchos genes basándose en el patrón genético más amplio.
Algunos genes tienden a coexistir, probablemente porque trabajan en pasos conectados de la misma tarea. Otros rara vez aparecen juntos, a menudo porque se superponen en función o interfieren entre sí.
“Encontramos que algunas familias de genes nunca aparecían en un genoma cuando ya estaba presente otra familia de genes en particular, y en otras ocasiones, algunos genes dependían mucho de la presencia de una familia de genes diferente”, explicó la Dra. Domingo-Sananes.
Interacciones genéticas y evolución
El estudio no afirma que todos los genes sean predecibles. Muchos genes accesorios todavía parecen erráticos, ya sea porque la historia local importa o porque aún no hay suficientes datos para capturar sus reglas.
Una predicción correcta no implica el destino. Señala una estructura: limitaciones y tendencias dentro de las cuales todavía se produce el cambio.
Los patrones se mantuvieron en diferentes partes del árbol genealógico de la especie, lo que apoya la idea de que la selección y las interacciones gen-gen, y no solo la ascendencia común, dan forma a estos resultados.
“Estas interacciones entre genes hacen que algunos aspectos de la evolución sean algo predecibles, y además, ahora tenemos una herramienta que nos permite hacer esas predicciones”, añadió la Dra. Domingo-Sananes.
Evolución, genes y atención médica
Los equipos de salud pública rastrean los genes de resistencia a los antibióticos para adelantarse a las infecciones. Si ciertos genes accesorios tienden a acompañar a un gen de resistencia, las pruebas pueden escanear ese conjunto de apoyo.
Este enfoque puede señalar problemas antes, porque los genes asociados pueden aparecer antes de que el gen principal se vuelva común.
En microbiología aplicada, los equipos construyen cepas que producen medicamentos, reciclan residuos o capturan contaminantes. Saber qué combinaciones de genes funcionan bien juntas y qué combinaciones tienden a chocar ahorra tiempo y dinero.
“A partir de este trabajo, podemos empezar a explorar qué genes ‘apoyan’ a un gen de resistencia a los antibióticos, por ejemplo. Si estamos tratando de eliminar la resistencia a los antibióticos, podemos atacar no solo al gen focal, sino también a sus genes de apoyo”, concluyó el Dr. Beaven.
“Este enfoque puede ayudar a sintetizar nuevas construcciones genéticas que puedan conducir a nuevos fármacos o vacunas. Saber lo que ahora sabemos ha abierto la puerta a muchos otros descubrimientos.”
Cómo leer los resultados
En muchos genomas, algunos genes siguen apareciendo juntos. Eso es la coocurrencia, y generalmente significa que los genes funcionan en el mismo trabajo.
Otros pares casi nunca comparten un genoma. Eso es la exclusión mutua. Probablemente choquen o hagan un trabajo duplicado. Estos patrones dejan una huella en todo el pangenoma, y un modelo informático puede aprender esa huella.
Los métodos importan. Los científicos agrupan los genes relacionados en familias y ajustan la relación entre las cepas.
También prueban ramas distantes del árbol genealógico de E. Coli. Cuando los patrones se mantienen, apunta a la selección y a las interacciones gen-gen, y no solo a la herencia.
Genes, evolución y estudios futuros
Las herramientas prácticas pueden basarse en este marco. Los paneles de diagnóstico pueden añadir genes asociados que a menudo viajan con los objetivos de preocupación.
La vigilancia puede detectar señales de advertencia tempranas en aislamientos hospitalarios y aguas residuales. Los equipos de ingeniería pueden mapear las combinaciones de genes amigables y hostiles antes de construir cepas.
La idea principal sigue siendo consistente. En las bacterias, una parte importante del genoma accesorio se comporta de forma estructurada.
Estos patrones reflejan cómo interactúan los genes y cómo la selección mantiene asociaciones útiles al tiempo que evita superposiciones costosas. La evolución sigue sorprendiendo, pero también deja rastros que un análisis cuidadoso puede leer.
El estudio completo fue publicado en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences.
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