La mutación adaptativa , también llamada mutación dirigida o mutagénesis dirigida , es una teoría evolutiva controvertida. Postula que las mutaciones , o cambios genéticos, son mucho menos aleatorios y más intencionales que la evolución tradicional , lo que implica que los organismos pueden responder a las tensiones ambientales dirigiendo mutaciones a ciertos genes o áreas del genoma . Ha habido una amplia variedad de experimentos que intentan apoyar (o refutar) la idea de la mutación adaptativa, al menos en microorganismos .
La teoría de la evolución más aceptada afirma que los organismos se modifican por selección natural, donde los cambios causados por mutaciones mejoran sus posibilidades de éxito reproductivo. La mutación adaptativa afirma que, en lugar de que las mutaciones y la evolución sean aleatorias, se dan en respuesta a tensiones específicas. En otras palabras, las mutaciones que ocurren son más beneficiosas y específicas para el estrés dado, en lugar de aleatorias y no una respuesta a nada en particular. El término estrés se refiere a cualquier cambio en el medio ambiente, como la temperatura, los nutrientes, el tamaño de la población, etc. Las pruebas con microorganismos han descubierto que, en el caso de la mutación adaptativa, más de las mutaciones observadas después de un estrés dado fueron más efectivas para lidiar con el estrés de lo que el azar por sí solo sugeriría que es posible. [1] [2] Esta teoría de la mutación adaptativa fue presentada por primera vez a la atención académica en la década de 1980 por John Cairns . [3]
La mutación adaptativa es una afirmación controvertida que dio lugar a una serie de experimentos diseñados para ponerla a prueba. Tres experimentos principales son la respuesta SOS, [4] las respuestas a la inanición en Escherichia coli , [5] y la prueba de revertientes de un auxótrofo del triptófano en Saccharomyces cerevisiae (levadura). [1]
La cepa FC40 de E. coli tiene una alta tasa de mutación, por lo que es útil para estudios, como el de mutación adaptativa. Debido a una mutación por cambio de marco de lectura , un cambio en la secuencia que hace que el ADN codifique algo diferente, FC40 es incapaz de procesar la lactosa. Cuando se coloca en un medio rico en lactosa, se ha descubierto que el 20% de las células mutaron de Lac- (no podían procesar lactosa) a Lac+, lo que significa que ahora podían utilizar la lactosa en su entorno. Las respuestas al estrés no están en el ADN actual, sino que el cambio se realiza durante la replicación del ADN a través de la recombinación y el proceso de replicación en sí mismo, lo que significa que la mutación adaptativa ocurre en las bacterias actuales y será heredada por las próximas generaciones porque la mutación se convierte en parte del código genético en las bacterias. [5] Esto es particularmente obvio en un estudio de Cairns, que demostró que incluso después de mover E. coli de nuevo a un medio con niveles mínimos de lactosa, los mutantes Lac+ continuaron produciéndose como respuesta al entorno anterior. [1] Esto no sería posible si no existiera una mutación adaptativa, ya que la selección natural no favorecería esta mutación en el nuevo entorno. Aunque hay muchos genes implicados en la mutación adaptativa, se descubrió que RecG, una proteína, tenía un efecto sobre la mutación adaptativa. Se descubrió que RecG por sí sola no necesariamente conducía a un fenotipo mutacional. Sin embargo, se descubrió que inhibía la aparición de revertientes (células que parecían normales, en contraposición a aquellas con las mutaciones en estudio) en células de tipo salvaje . Por otro lado, los mutantes RecG fueron clave para la expresión de mutaciones dependientes de RecA, que fueron una parte importante del estudio en los experimentos de respuesta SOS, como la capacidad de utilizar lactosa. [6]
La mutación adaptativa fue propuesta nuevamente en 1988 [7] por John Cairns , quien estaba estudiando Escherichia coli que carecía de la capacidad de metabolizar la lactosa . Cultivó estas bacterias en medios en los que la lactosa era la única fuente de energía . Al hacerlo, descubrió que la velocidad a la que las bacterias desarrollaban la capacidad de metabolizar la lactosa era muchos órdenes de magnitud mayor que la que se esperaría si las mutaciones fueran verdaderamente aleatorias . Esto lo inspiró a proponer que las mutaciones que se habían producido habían estado dirigidas a los genes involucrados en la utilización de la lactosa. [8]
Más tarde, esta hipótesis recibió apoyo de Susan Rosenberg, entonces en la Universidad de Alberta , quien descubrió que una enzima involucrada en la reparación recombinatoria del ADN , recBCD , era necesaria para la mutagénesis dirigida observada por Cairns y colegas en 1989. La hipótesis de la mutagénesis dirigida fue cuestionada en 2002, por un trabajo que mostraba que el fenómeno se debía a la hipermutabilidad general debido a la amplificación de genes seleccionados, seguida de selección natural, y era, por lo tanto, un proceso darwiniano estándar. [9] [10] Sin embargo, una investigación posterior de 2007 concluyó que la amplificación no podía explicar la mutación adaptativa y que "los mutantes que aparecen durante los primeros días de la selección de lactosa son verdaderos revertientes que surgen en un solo paso". [11]
Este experimento es diferente de los demás en un pequeño aspecto: este experimento se centra en las vías que conducen a una mutación adaptativa, mientras que los otros probaron el entorno cambiante al que se expusieron los microorganismos. La respuesta SOS en E. coli es una respuesta al daño del ADN que debe repararse. El ciclo celular normal se pone en pausa y puede comenzar la mutagénesis . Esto significa que se producirán mutaciones para intentar reparar el daño. Esta respuesta de hipermutación , o aumento de la tasa de cambio, tiene que tener algún proceso regulador, y algunas moléculas clave en este proceso son RecA y LexA . Estas son proteínas y actúan como semáforos para este y otros procesos. También parecen ser los principales contribuyentes a la mutación adaptativa en E. coli . Se demostró que los cambios en la presencia de uno u otro afectaban a la respuesta SOS, que a su vez afectaba a la forma en que las células podían procesar la lactosa , lo que no debe confundirse con el experimento de inanición de lactosa. El punto clave a entender aquí es que tanto LexA como RecA fueron necesarios para que ocurriera la mutación adaptativa, y sin la respuesta SOS la mutación adaptativa no sería posible. [1]
En la década de 1970, von Borstel realizó experimentos similares al experimento de inanición de lactosa con levadura, específicamente Saccharomyces cerevisiae . Probó los revertientes auxótrofos de triptófano . Un auxótrofo de triptófano no puede producir triptófano por sí mismo, pero las células de tipo salvaje pueden y, por lo tanto, un revertiente volverá al estado normal de ser capaz de producir triptófano. Descubrió que cuando las colonias de levadura se movían de un medio rico en triptófano a uno mínimo, los revertientes seguían apareciendo durante varios días. El grado en el que se observaban revertientes en la levadura no era tan alto como en las bacterias. Otros científicos han realizado experimentos similares, como Hall, que probó los revertientes de histidina , o Steele y Jinks-Robertson, que probaron la lisina . Estos experimentos demuestran cómo la recombinación y la replicación del ADN son necesarias para la mutación adaptativa. Sin embargo, en las células probadas con lisina, la recombinación continuó ocurriendo incluso sin selección para ella. Steele y Jinks-Robertson concluyeron que la recombinación se producía en todas las circunstancias, adaptativas o no, mientras que las mutaciones sólo estaban presentes cuando eran beneficiosas y adaptativas. [1]
Aunque la producción de mutaciones durante la selección no fue tan vigorosa como la observada con las bacterias, estos estudios son convincentes. Como se mencionó anteriormente, un estudio posterior agrega aún más peso a los resultados con lys2 . Steele y Jinks-Robertson [12] encontraron que los prototrofos de LYS debido a eventos de recombinación intercromosómica también continúan surgiendo en células que no se dividen, pero en este caso, la producción de recombinantes continuó independientemente de si hubo selección para ellos o no. Por lo tanto, la mutación ocurrió en la fase estacionaria solo cuando fue adaptativa, pero la recombinación ocurrió independientemente de si fue adaptativa o no.
También se ha informado de la aparición tardía de mutantes en Candida albicans . [13] Con una exposición prolongada a concentraciones subletales de metales pesados, las colonias de células resistentes comenzaron a aparecer después de 5 a 10 días y continuaron apareciendo durante 1 a 2 semanas después. Estas resistencias podrían haber resultado de la amplificación genética, aunque los fenotipos fueron estables durante un corto período de crecimiento no selectivo. Sin embargo, también aparecieron revertientes de dos auxotrofias con cinéticas similares. Ninguno de estos eventos en Candida albicans , hasta el momento, ha demostrado ser específico de la selección impuesta.