La carrera armamentista entre bacterias y virus ofrece información sobre la rápida evolución

Tal como la concibió Charles Darwin en el siglo XIX, la evolución es un proceso lento y gradual durante el cual las adaptaciones de las especies se heredan de forma incremental a lo largo de generaciones. Sin embargo, hoy los biólogos pueden ver cómo los cambios evolutivos se desarrollan en escalas de tiempo mucho más aceleradas.

En lugar de las evocadoras plantas y animales de las Islas Galápagos que Darwin estudió para formular su teoría de la evolución, el académico postdoctoral Joshua Borin y el profesor asociado Justin Meyer de la Facultad de Ciencias Biológicas de UC San Diego están documentando rápidos procesos evolutivos en simples matraces de laboratorio.

Borin y Meyer juntaron bacterias y virus en un matraz de laboratorio cerrado (de solo dos cucharaditas de tamaño) para estudiar la coevolución en acción. A medida que los virus infectan a sus vecinos bacterianos, las bacterias desarrollan nuevas medidas defensivas para repeler los ataques. Luego, los virus contrarrestan estas adaptaciones con sus propios cambios evolutivos que evitan las nuevas medidas defensivas.

En sólo tres semanas, esta carrera armamentista acelerada entre bacterias (Escherichia coli) y virus (bacteriófagos o “fagos”) da como resultado varias generaciones de adaptaciones evolutivas. Los nuevos hallazgos, publicados en la revista Science, revelan la aparición de distintos patrones evolutivos.

“En este estudio mostramos el poder de la evolución”, dijo Meyer, profesor asociado del Departamento de Ecología, Comportamiento y Evolución. “Vemos cómo la coevolución entre bacterias y fagos impulsa el surgimiento de una red ecológica muy complicada. La evolución no tiene por qué ser lenta y gradual como pensaba Darwin”.

Meyer dice que el nuevo estudio ofrece nuevas perspectivas sobre cómo se desarrollan intrincadas redes ecológicas en ecosistemas dispares, ya sean redes alimentarias en la sabana, redes de polinizadores en la selva tropical o microbios que interactúan en el océano.

A medida que las bacterias y los virus se adaptaron a la presencia de otros con el tiempo, surgieron dos patrones repetitivos prominentes. Estos incluyeron el anidamiento, un desarrollo en el que las interacciones estrechas entre bacterias y especialistas en virus están “anidados” dentro de una gama más amplia de interacciones generalistas; y modularidad, en la que las interacciones entre especies forman módulos dentro de grupos especializados, pero no entre grupos.

“Nos sorprendió descubrir que nuestro experimento de evolución en pequeños matraces había recapitulado los patrones complejos que se habían observado previamente entre bacterias y virus recolectados a escalas regionales y transoceánicas”, dijo Borin.

“Cuando nuestro equipo de investigación cuantificó por primera vez este patrón multiescala en datos de interacción de fagos y bacterias ambientales, pensamos que la aparición de tal complejidad requería largos períodos de evolución”, añadió el coautor del estudio, el profesor Joshua Weitz del Departamento de Biología de la Universidad de Maryland.

Meyer dice que capturar estos desarrollos evolutivos “en acción” refuerza el poder de la evolución, que a menudo se subestima. La rápida evolución patógena continúa dando forma a nuestro mundo de nuevas maneras. A través de la COVID-19 y las nuevas mutaciones del SARS-CoV-2, los virus han demostrado su potente capacidad de realizar adaptaciones evolutivas que dan lugar a nuevas cepas cuando encuentran anticuerpos, vacunas y otros obstáculos que les impiden infectar y propagarse de manera efectiva. Estos nuevos conceptos en la evolución microbiana están redefiniendo la forma en que se trata a los pacientes.

“Demostramos que la evolución puede producir rápidamente redes ecológicas complejas con muy poca ayuda externa”, dijo Meyer, quien indicó que ejemplos de tales fuerzas evolutivas externas incluyen el aislamiento a través de la distancia geográfica, los impulsores ambientales y las interacciones con otras especies. “Así que podemos utilizar fagos y bacterias como sistema modelo para comprender los principios evolutivos generales y ayudar a mostrar cómo la vida en la Tierra ha evolucionado hacia ecosistemas tan diversos y complejos desde comienzos simples”.

En un trabajo relacionado, Meyer y Weitz están utilizando inteligencia artificial para estudiar cómo se podrían utilizar los fagos en el cultivo. crisis de resistencia a los antibióticos. La investigación incluye el análisis de datos evolutivos para determinar qué mutaciones en fagos y bacterias pueden provocar infección y resistencia. La investigación también destaca un nuevo esfuerzo apoyado por el Instituto Médico Howard Hughes para estudiar cómo los fagos “jumbo” podrían usarse como nuevos agentes terapéuticos.

Los coautores del artículo de Science incluyen a Joshua Borin, Justin Lee, Adriana Lucia-Sanz, Krista Gerbino, Joshua Weitz y Justin Meyer.