Una línea celular promedio intercambia unos 250 genes por litro de agua de mar al día
El movimiento de material genético entre organismos que no están directamente relacionados es un importante motor de la evolución, especialmente entre organismos unicelulares como las bacterias y las arqueas.
Un equipo dirigido por investigadores del Laboratorio Bigelow de Ciencias Oceánicas ha estimado que una línea celular promedio adquiere y retiene aproximadamente el 13 % de sus genes cada millón de años mediante este proceso de transferencia lateral de genes. Esto equivale a unos 250 genes intercambiados por litro de agua de mar al día.
El nuevo estudio proporciona el primer análisis cuantitativo de las tasas de transferencia génica en todo un microbioma. Cuestiona las estrictas líneas de clasificación establecidas entre especies individuales. También confirma que muchos genes transferidos tienen beneficios ecológicos directos, destacando cómo este proceso permite a los microbios adaptarse a nuevos entornos y les proporciona valiosas capacidades, como acceder a nutrientes esenciales.
"Han evolucionado todos los procesos que impulsan los microbios en nuestro planeta y esa evolución, en gran medida, está impulsada por la transferencia lateral de genes, pero el proceso es muy difícil de estudiar y nadie ha podido cuantificarlo", dijo el científico investigador principal del Laboratorio Bigelow, Ramunas Stepanauskas, autor principal del estudio. "Sabemos en general cómo funciona, pero no teníamos ni idea de si, en una gota de agua de mar, los genes se intercambian una vez por minuto, una vez al año o una vez cada millón de años. Eso era completamente desconocido, hasta ahora".
Imagen: Ramunas Stepanauskas, investigador principal del Laboratorio Bigelow y director del Centro de Genómica de Células Únicas, analiza muestras microbianas. Crédito: Laboratorio Bigelow de Ciencias Oceánicas.
Los genes pueden transferirse lateralmente a través de múltiples mecanismos, incluida la captación de material genético flotante en el entorno, la transferencia directa entre células y la inyección de ADN extraño en un anfitrión por un virus.
Sin embargo, los científicos han tenido dificultades para cuantificar estos procesos, dada la inmensa diversidad de la vida microbiana. Los enfoques tradicionales de "árbol evolutivo" pueden emplearse para estudiar la transferencia de genes específicos y generalizados (unos pocos a la vez), pero resultan poco prácticos para estudiar un ecosistema completo.
De la misma manera, el método común para estudiar los genomas microbianos, la metagenómica, funciona uniendo conjuntos de genes relacionados y "típicos", lo que significa que excluye activamente los genes transferidos que son raros o provienen de organismos no relacionados.
Sin embargo, los avances en el modelado computacional y la genómica de células individuales han permitido a los científicos comenzar a responder estas preguntas.
El equipo utilizó genomas de 12.000 células microbianas tomadas aleatoriamente de la superficie oceánica tropical y subtropical, secuenciadas por el equipo de Stepanauskas en el Centro de Genómica de Células Únicas (SCGC). Este conjunto de datos único constituye una de las compilaciones más extensas de genomas microbianos jamás producidas. Compararon la distribución de genes compartidos en esos datos del mundo real con un modelo informático que asumía que los genes sólo pueden transferirse verticalmente entre padres e hijos, no lateralmente.
"Este proyecto fue una emocionante oportunidad para pensar de manera diferente sobre cómo medir un proceso evolutivo esencial, pero elusivo, que configura el componente microbiano de los ecosistemas a nivel global", dijo Siavash Mirarab, profesor de la Universidad de California en San Diego y coautor del estudio, cuyo equipo lideró el desarrollo del modelo.
Imagen: Investigadores del Laboratorio Bigelow trabajan en la secuenciación de células microbianas de muestras de agua de mar en el Centro de Genómica de Células Únicas. Crédito: Laboratorio Bigelow de Ciencias Oceánicas.
El enfoque confirmó que la mayoría de los genes se intercambian entre células estrechamente relacionadas, pero no todos. Algunos genes con un valor ecológico evidente pueden transferirse con éxito entre microbios tan distantes entre sí como los humanos y los canguros. Por ejemplo, se encontró evidencia de que los microbios adquieren genes novedosos que les permiten absorber nuevas fuentes de fósforo en el Mar de los Sargazos, donde el fósforo es limitado.
Los hallazgos también muestran evidencia del intercambio de genes que codifican el ARN ribosómico, la maquinaria celular responsable de la síntesis de proteínas. Esto, según Stepanauskas, fue sorprendente, dado que dichos genes se utilizan a menudo como indicadores de la diversidad biológica precisamente porque los científicos asumieron que no participaban en la transferencia lateral.
En el futuro, el equipo espera expandir este enfoque a nuevos entornos y desentrañar las diferencias entre linajes, mecanismos de transferencia y ecosistemas. Este trabajo podría tener importantes implicaciones biotecnológicas al revelar cómo la naturaleza adapta las células de forma eficaz y rápida a diferentes entornos y procesos. Con ese fin, el SCGC está mejorando y ampliando continuamente sus capacidades analíticas para permitir los estudios a gran escala que requerirá el trabajo.
"Responder estas preguntas quizá sea posible, pero solo si podemos seguir mejorando nuestras herramientas de modelado", dijo Mirarab.
"Veo esto solo como el comienzo", añadió Stepanauskas. "Por fin contamos con datos suficientes para empezar a realizar este tipo de análisis cuantitativo, pero aún necesitamos profundizar mucho más para determinar con qué frecuencia lo hacen ciertos tipos de microbios, qué procesos intervienen y cómo podemos aplicar este conocimiento a la gestión ambiental y la bioeconomía".
El estudio ha sido publicado recientemente en The ISME Journal: Net rate of lateral gene transfer in marine prokaryoplankton
