Un experimento repetido 600 veces encuentra pistas sobre los secretos de la evolución

En un laboratorio de Atlanta, miles de células de levadura luchan por sus vidas todos los días. Los que viven un día más crecen más rápido, se reproducen más rápido y forman los grupos más grandes. Durante aproximadamente una década, las células han evolucionado para adherirse unas a otras, formando formas ramificadas de copos de nieve.

Estos extraños copos de nieve son el foco de los experimentos que exploran lo que podría haber sucedido hace millones de años, cuando las criaturas unicelulares se unieron por primera vez para convertirse en pluricelulares. Ese proceso, por muy exitoso que fuera, eventualmente condujo a organismos tan engorrosos y fabulosamente extraños como pulpos, avestruces, hámsteres y humanos.

Aunque se cree que la multicelularidad ha evolucionado al menos 20 veces en la historia de la vida en la Tierra, está lejos de ser obvio cómo los seres vivos pasan de una sola célula a muchas que comparten un destino común. Pero en un artículo publicado el miércoles en la revista Nature, los investigadores revelan una pista sobre cómo las células podrían comenzar a construirse en un cuerpo. El equipo que produjo la levadura de copos de nieve descubrió que durante 3000 generaciones, los grumos de levadura habían crecido tanto que podían verse a simple vista. En el camino, evolucionaron de una sustancia blanda y blanda a algo con la dureza de la madera.

Will Ratcliff, profesor de Georgia Tech, comenzó a experimentar con levadura cuando estaba en la escuela de posgrado. Fue inspirado por Richard Lenski, biólogo de la Universidad de Michigan, y sus colegas que han cultivado 12 viales de E. coli a lo largo de más de 75 000 generaciones, documentando desde 1988 cómo han cambiado las poblaciones. El Dr. Ratcliff se preguntó si un estudio evolutivo que alentara a las células a mantenerse juntas podría arrojar luz sobre los orígenes de la multicelularidad.

“Todos los linajes que conocemos de esa multicelularidad evolucionada dieron este paso hace cientos de millones de años”, dijo. «Y no tenemos mucha información sobre cómo las células individuales forman grupos».

Así que preparó un experimento simple. Cada día, removía células de levadura en un tubo de ensayo, absorbía las que se hundían más rápido hasta el fondo y luego las usaba para hacer crecer la población de levadura del día siguiente. Razonó que si seleccionaba los individuos o grupos de células más pesados, habría un incentivo para que la levadura desarrollara una forma de mantenerse unida.

Y funcionó: Dentro de los 60 días, apareció la levadura de copo de nieve. Cuando estas levaduras se dividen, gracias a una mutación, no se separan completamente unas de otras. En cambio, forman estructuras ramificadas de células genéticamente idénticas. La levadura se había vuelto multicelular.

Pero los copos de nieve, descubrió el Dr. Ratcliff mientras continuaba con su investigación, nunca parecían volverse muy grandes, permaneciendo obstinadamente microscópicos. Le da crédito a Ozan Bozdag, un investigador postdoctoral de su grupo, por un gran avance relacionado con el oxígeno, o la falta del mismo.

Para muchos organismos, el oxígeno funciona como una especie de combustible para cohetes. Facilita el acceso a la energía almacenada en los azúcares.

El Dr. Bozdag le dio oxígeno a algunas levaduras en el experimento y cultivó otras que tenían una mutación que les impedía usarlo. Encontró que en el transcurso de 600 transferencias, la levadura que carecía de oxígeno explotó en tamaño. Sus copos de nieve crecieron y crecieron, hasta que se hicieron visibles a simple vista. Un examen más detenido de las estructuras reveló que las células de levadura eran mucho más largas de lo normal. Las ramas se habían enredado, formando un grueso penacho.

Esa densidad podría explicar por qué el oxígeno parece haber sido una barrera para el crecimiento de la levadura, piensan los científicos. Para las levaduras que podían usar oxígeno, crecer mucho tenía desventajas significativas.

Mientras los copos de nieve se hayan mantenido pequeños, las células generalmente tienen el mismo acceso al oxígeno. Pero los tacos grandes y densos significaban que las células dentro de cada taco estaban aisladas del oxígeno.

Las levaduras que no podían usar oxígeno, por otro lado, no tenían nada que perder, y así crecieron. El hallazgo sugiere que alimentar a todas las células en un grupo es una parte crucial de las compensaciones que enfrenta un organismo a medida que se vuelve multicelular.

Incluso los racimos que se han formado son duros.

«La cantidad de energía requerida para romper estas cosas ha aumentado en más de un factor de un millón», dijo Peter Yunker, profesor de Georgia Tech y coautor del artículo.

Esa fuerza podría ser la clave para otro paso en el desarrollo de la multicelularidad, dice el Dr. Ratcliff: el desarrollo de algo así como un sistema circulatorio. Si las células dentro de un grupo grande necesitan ayuda para acceder a los nutrientes, un cuerpo lo suficientemente fuerte como para canalizar un flujo de fluidos es fundamental.

«Es como disparar una manguera contra incendios a un bulto de levadura», dijo el Dr. Yunker. Si el grupo de células es débil, esa afluencia de nutrientes lo destruirá antes de que cualquier célula se alimente.

El equipo ahora está explorando si los grupos densos de levadura de copo de nieve podrían desarrollar formas de entregar nutrientes a sus miembros más cercanos. Si lo hacen, estas levaduras en sus tubos de ensayo en Atlanta podrían decirnos algo sobre cómo era, hace eones, cuando sus antepasados ​​y muchos seres vivos a su alrededor comenzaron a construir cuerpos a partir de células.