Las pruebas biológicas de necesidad y suficiencia se refieren a métodos y técnicas experimentales que buscan probar o proporcionar evidencia de tipos específicos de relaciones causales en sistemas biológicos. Una causa necesaria es aquella sin la cual sería imposible que ocurriera un efecto, mientras que una causa suficiente es aquella cuya presencia garantiza la ocurrencia de un efecto. Estos conceptos se basan en gran medida en las ideas de necesidad y suficiencia en lógica , pero son distintos de ellas .
Las pruebas de necesidad, entre las que se encuentran los métodos de lesión o eliminación de genes , y las pruebas de suficiencia, entre las que se encuentran los métodos de aislamiento o estimulación discreta de factores, han adquirido importancia en los diseños experimentales actuales, y la aplicación de estas pruebas ha dado lugar a una serie de descubrimientos y hallazgos notables en las ciencias biológicas.
En la investigación biológica , a menudo se utilizan experimentos o pruebas para estudiar las relaciones causales previstas entre dos fenómenos. [1] Estas relaciones causales pueden describirse en términos de los conceptos lógicos de necesidad y suficiencia.
Consideremos la afirmación de que un fenómeno x causa un fenómeno y. X sería una causa necesaria de y cuando la ocurrencia de y implica que x tenía que haber ocurrido. Sin embargo, solo la ocurrencia de la condición necesaria x no siempre puede dar como resultado que y también ocurra. [2] En otras palabras, cuando algún factor es necesario para causar un efecto, es imposible tener el efecto sin la causa. [3] X, en cambio, sería una causa suficiente de y cuando la ocurrencia de x implica que y debe ocurrir. [2] En otras palabras, cuando algún factor es suficiente para causar un efecto, la presencia de la causa garantiza la ocurrencia del efecto. [3] Sin embargo, una causa diferente z también puede causar y, lo que significa que y puede ocurrir sin que x ocurra. [2] [3] Para un ejemplo concreto, considere la afirmación condicional "si un objeto es un cuadrado , entonces tiene cuatro lados". Es una condición necesaria que un objeto tenga cuatro lados si es cierto que es un cuadrado; a la inversa, que el objeto sea un cuadrado es una condición suficiente para que sea cierto que un objeto tiene cuatro lados. [4]
Para una relación de dos condiciones son posibles cuatro combinaciones distintas de necesidad y suficiencia. Una primera condición puede ser:
para que una segunda condición sea verdadera. [4]
Los legos o los científicos novatos pueden preferir pensar en estos conceptos de necesidad y suficiencia de ciertas maneras. En un estudio de estudiantes de psicología de pregrado , más estudiantes vieron la necesidad en términos negativos de "si no hay x, entonces no hay y" en lugar del equivalente lógico "si y, entonces x" que en términos de suficiencia; la mayoría de ellos entendieron la suficiencia como "si x, entonces y" en lugar del equivalente lógico "si no hay y, entonces no hay x". Este resultado también sugirió que los estudiantes eran más propensos a preferir pensar en las causas en la dirección hacia adelante (x a y) en lugar de la dirección hacia atrás (y a x). [5]
Pueden producirse malentendidos con respecto a los tipos de evidencia que pueden respaldar estas relaciones causales; un estudio que aplicó los conceptos causales de necesidad y suficiencia encontró que los estudiantes universitarios en una clase de bioquímica probablemente malinterpretaban erróneamente las correlaciones como si significaran suficiencia para causar un efecto. [6] El estudio sobre estudiantes de psicología de pregrado también indicó una posible discrepancia en la comprensión de la suficiencia, donde se encontró que algunos estudiantes entendieron que una causa era suficiente para un efecto incluso cuando el efecto no siempre seguía a la causa; [5] mientras que en la dirección inversa, un efecto puede tener causas alternativas, pero una causa solo puede ser suficiente si siempre da como resultado que ocurra el efecto.
La necesidad sólo puede demostrarse demostrando que un sistema no funciona cuando la pieza en cuestión no está activa, es decir, cuando es necesaria para su funcionamiento. La investigación biológica utiliza diversas técnicas para inhibir una estructura o un agente genético, como las lesiones y la eliminación o knockout. Todas estas técnicas entran en la categoría de pérdida de función. [ cita requerida ]
La lesión es una prueba de necesidad que implica dañar físicamente una estructura para que pierda su función. Si la lesión de una estructura provoca un cambio en el sistema, entonces esa estructura es necesaria. [7] La lesión puede tener un aspecto muy diferente en las distintas disciplinas científicas.
En psicología, la información sobre la necesidad puede obtenerse observando los cambios de comportamiento cuando una región del cerebro ha sido destruida, ya sea por accidente o enfermedad en un ser humano o intencionalmente en un animal de laboratorio. [8] Otras disciplinas pueden apuntar a tipos específicos de células y marcarlas para su degradación. El sistema GAL4/UAS "informa" sobre un subconjunto de genes de interés, aunque no tiene un efecto independiente sobre el tejido. [9] Cuando se combina con un gen apoptótico, como reaper (rpr), todas las células que expresan los genes de interés junto con GAL4/UAS , iniciarán la muerte celular, creando una legión específica para un tipo de célula. [10]
Un ejemplo clásico de lesión en cronobiología es la exploración de la navegación circadiana en las mariposas monarca . En un experimento emblemático, la Dra. Christine Merlin y el Dr. Steven Reppert extirparon (lesionaron) las antenas de las mariposas monarca y probaron su capacidad para navegar. [11] Descubrieron que las monarcas no podían navegar sin sus antenas . [11] El uso de la lesión por parte de los investigadores les permitió llegar a la conclusión de que las antenas de las monarcas son necesarias para la navegación porque su ausencia impide que este sistema funcione. [11]
Un knockout se refiere a la inactivación de un gen . Esto se puede hacer de varias maneras, como alterar la secuencia de ADN para que ya no realice su función, alterar la región promotora para que no se transcriba o eliminar el gen por completo. [12] Además de ayudar a los científicos a comprender la función del gen, observar el comportamiento o alguna otra variable antes y después de la eliminación puede crear un argumento a favor de su necesidad si un comportamiento o sistema deja de funcionar.
Allada et al. realizaron un knock out del gen CLOCK de la drosophila , un gen identificado anteriormente como un gen circadiano mediante genética directa . En este experimento, alteraron el gen Clock para evitar que realizara su función normal. [13] Las moscas knock out Clock no exhibieron un ritmo de veinticuatro horas como se registró para las moscas sin cambios. [13] Esto llevó a los investigadores a concluir que Clock es necesario para el ritmo de veinticuatro horas de las moscas. [13]
La suficiencia se puede demostrar demostrando que un sistema puede funcionar cuando el elemento en cuestión está activo sin la influencia de otros elementos. Sin embargo, esto no indica que el elemento en cuestión sea necesario para el funcionamiento. El elemento permite que el sistema funcione, pero su presencia no es necesaria para que el sistema funcione.
En biología, las pruebas de suficiencia se utilizan para determinar si la presencia de un elemento permite que se produzca el fenómeno biológico. En otras palabras, si se cumplen las condiciones suficientes, el evento previsto puede tener lugar. Sin embargo, esto no significa que la ausencia de un elemento biológico suficiente impida que el evento biológico se produzca.
Las pruebas de suficiencia incluyen una ganancia de función mediante estimulación discreta y el aislamiento de un elemento biológico para observar un cambio en el evento objetivo. Este tipo de métodos son imperativos para varios subcampos de la biología . En particular, las pruebas de suficiencia son comunes en el campo de la cronobiología .
Al realizar una estimulación discreta, los investigadores intentan proporcionar estímulos únicamente al elemento biológico de interés. Volviendo al trabajo del Dr. Reppert y el Dr. Merlin con las mariposas monarca, al indagar sobre el papel de las antenas en la orientación de la brújula solar de la mariposa monarca , los investigadores solo proporcionaron luz a las antenas de la mariposa. [11] Encontraron que estimular las antenas por sí sola era suficiente para que las mariposas se sincronizasen de manera comparable a las mariposas no estimuladas que fueron sincronizadas en la misma condición. Como resultado, el comportamiento de vuelo del grupo estimulado fue similar al de las mariposas que fueron sincronizadas tradicionalmente. Como resultado, hubo evidencia de que las antenas son suficientes para la orientación de la brújula solar.
La estimulación discreta también se ha utilizado para investigar la ubicación y la cantidad de los marcapasos circadianos en plantas, a saber, Arabidopsis y la planta del tabaco . [14] Al investigar el acoplamiento de los sistemas circadianos en las plantas intactas, Thain et al. colocaron una cubierta de papel de aluminio sobre un cotiledón y arrastraron el otro cotiledón descubierto a un ciclo de luz-oscuridad de 12 horas de luz y 12 horas de oscuridad (LD 12:12), 6 horas por delante del cotiledón cubierto. Luego, los investigadores cubrieron el cotiledón opuesto y arrastraron el cotiledón recién expuesto a un ciclo de luz-oscuridad de 12:12 retrasado por 6 horas, creando una diferencia de 12 horas entre los cotiledones. Utilizando bioluminiscencia transgénica , Thain et al. descubrieron que las dos hojas estaban desfasadas entre sí, mostrando picos de luminiscencia en momentos opuestos. Esto proporcionó evidencia de la noción de que cada cotiledón es suficiente para mantener un ritmo circadiano independiente y tiene su propio oscilador circadiano autónomo. [14]
El método de aislamiento para determinar la suficiencia implica que un solo elemento biológico se someta a experimentación y se lo aísle de las interacciones con otros elementos biológicos relevantes. Este método incluye la extracción del elemento en cuestión y su colocación en condiciones de prueba aisladas.
Reppert y Merlin utilizaron el método de aislamiento en su investigación en 2009, cuando examinaron la influencia de las salidas del reloj circadiano de las antenas en la orientación de la brújula solar de las mariposas monarca . Los investigadores separaron las antenas de la mariposa y las colocaron en condiciones separadas. Luego, los investigadores procedieron a aplicar una pinza de parche a una célula de la antena y aplicaron un olor a la célula aislada para determinar si hay ritmicidad en su tasa de disparo . [11] Concluyeron que sí muestra ritmicidad en su respuesta al olor, con una tasa de disparo alta durante la noche y baja durante el día. [11] El aislamiento de la antena demuestra su suficiencia porque es el único elemento biológico relevante que sostiene el ritmo en el sistema.
Además, utilizaron este enfoque nuevamente en su investigación de 2012 para examinar la influencia de la relación temporal entre las antenas de la mariposa monarca en su orientación solar-brújula . Los investigadores analizaron la importancia de la presencia de ambas antenas para la orientación solar-brújula. Probaron esto quitando una sola antena de la mariposa y evaluando su comportamiento de vuelo. Como resultado, descubrieron que una antena era suficiente para la orientación solar-brújula correcta, independientemente de su lateralidad. [15]
El método de aislamiento no se limita a aislar células individuales u órganos para experimentación. También se puede utilizar para analizar proteínas y su papel en un organismo. Es decir, Nakajima et al. lo utilizan en 2005 mientras trabajan con proteínas Kai como KaiA , KaiB , KaiC , que regulan la expresión génica circadiana en cianobacterias . Estas proteínas son componentes principales del reloj circadiano de las cianobacterias, alterando su conformación y estado de fosforilación a lo largo del día. [16] Al cuestionar el ciclo de retroalimentación de transcripción-traducción como un medio para explicar el reloj circadiano de las cianobacterias, Nakajima et al. aislaron las proteínas KaiABC lisando S. elongatus y colocándolas en tubos de ensayo con ATP . En consecuencia, la fosforilación in vitro de KaiC osciló con un período de aproximadamente 24 horas a una amplitud ligeramente menor que la oscilación in vivo . Esto demostró que las proteínas KaiABC son suficientes para mantener el ritmo circadiano cuando se les proporciona ATP. También presentó a KaiABC como el oscilador circadiano postraduccional que regula el reloj en S. elongatus , junto con el modelo de bucle de retroalimentación de transcripción-traducción (TTFL) como mecanismo para el reloj del organismo. [17]
El uso de los conceptos de necesidad y suficiencia en el diseño experimental y en las interpretaciones de la investigación ha sido criticado sobre la base de que la forma en que se utilizan puede no siempre ser coherente con los significados de estos conceptos en la lógica formal. En particular, Yoshihara y Yoshihara han criticado el uso de la frase "necesario y suficiente" para describir los factores biológicos en la investigación. Argumentan que los investigadores que utilizan esa frase para describir la importancia de un factor para otro corren el riesgo de comunicar mal sus hallazgos a quienes interpretan la frase en un sentido lógico, pero al mismo tiempo, citando el ejemplo de cómo se definen formalmente las neuronas de comando , que aplicar la idea de "necesario y suficiente" a los factores biológicos en un sentido estrictamente lógico puede ser demasiado restrictivo y dar como resultado que algunos hallazgos se descarten de manera inapropiada. Como descripción alternativa, los autores sugieren utilizar la frase "indispensable e inductor". [18] [19]