Mutación adaptativa

La cepa de E. coli FC40 tiene una alta tasa de mutación, por lo que resulta útil para estudios como el de mutación adaptativa. Debido a una mutación de cambio de marco de lectura , un cambio en la secuencia que provoca que el ADN codifique algo diferente, la FC40 es incapaz de procesar la lactosa. Al colocarla en un medio rico en lactosa, se ha descubierto que el 20 % de las células mutaron de Lac- (incapaces de procesar la lactosa) a Lac+, lo que significa que ahora podían utilizar la lactosa de su entorno. Las respuestas al estrés no se encuentran en el ADN actual, sino que el cambio se produce durante la replicación del ADN mediante la recombinación y el propio proceso de replicación, lo que significa que la mutación adaptativa ocurre en la bacteria actual y será heredada por las siguientes generaciones porque la mutación pasa a formar parte del código genético de la bacteria. ^{[ 5 ]} Esto es particularmente evidente en un estudio de Cairns, que demostró que incluso después de trasladar E. coli de nuevo a un medio con niveles mínimos de lactosa, se seguían produciendo mutantes Lac+ como respuesta al entorno anterior. ^{[ 1 ]} Esto no sería posible si la mutación adaptativa no estuviera en acción, ya que la selección natural no favorecería esta mutación en el nuevo entorno. Aunque hay muchos genes involucrados en la mutación adaptativa, se descubrió que RecG, una proteína, tiene un efecto sobre ella. Se encontró que RecG por sí sola no necesariamente conduce a un fenotipo mutacional. Sin embargo, se descubrió que inhibe la aparición de revertantes (células que parecían normales, en contraposición a aquellas con las mutaciones estudiadas) en células de tipo silvestre . Por otro lado, los mutantes de 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 estudiaba Escherichia coli que carecía de la capacidad de metabolizar la lactosa . Cultivó estas bacterias en medios donde la lactosa era la única fuente de energía . Al hacerlo, descubrió que la tasa a la que las bacterias desarrollaron la capacidad de metabolizar la lactosa era mucho mayor de lo que se esperaría si las mutaciones fueran realmente aleatorias . Esto lo inspiró a proponer que las mutaciones ocurridas se habían dirigido a los genes involucrados en la utilización de la lactosa. ^{[ 8 ]}

Posteriormente, Susan Rosenberg, entonces en la Universidad de Alberta , brindó apoyo a esta hipótesis al descubrir que una enzima involucrada en la reparación recombinacional del ADN , recBCD , era necesaria para la mutagénesis dirigida observada por Cairns y sus colegas en 1989. La hipótesis de la mutagénesis dirigida fue cuestionada en 2002 por un trabajo que demostró que el fenómeno se debía a una hipermutabilidad general causada por la amplificación selectiva de genes, seguida de selección natural, y que, por lo tanto, era 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 selección de lactosa son verdaderos revertantes que surgen en un solo paso". ^{[ 11 ]}

Este experimento se diferencia de los demás en un pequeño aspecto: se centra en las vías que conducen a una mutación adaptativa, mientras que los demás analizaban el entorno cambiante al que se exponían los microorganismos. La respuesta SOS en E. coli es una respuesta al daño del ADN que debe repararse. El ciclo celular normal se detiene y puede comenzar la mutagénesis . Esto significa que se producirán mutaciones para intentar reparar el daño. Esta hipermutación , o aumento de la tasa de cambio, requiere algún proceso regulador, y algunas moléculas clave en este proceso son RecA y LexA . Estas son proteínas que actúan como semáforos para este y otros procesos. También parecen ser los principales contribuyentes a la mutación adaptativa en E. coli . Se ha demostrado que los cambios en la presencia de una u otra afectan la respuesta SOS, lo que a su vez afecta la capacidad de las células para procesar la lactosa , lo cual no debe confundirse con el experimento de privación de lactosa. El punto clave a entender aquí es que tanto LexA como RecA eran 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 privación de lactosa con levadura, específicamente Saccharomyces cerevisiae . Buscó revertantes auxótrofos de triptófano . Un auxótrofo de triptófano no puede producir triptófano por sí mismo, pero las células de tipo silvestre sí pueden, por lo que un revertante volverá al estado normal de poder producir triptófano. Descubrió que cuando las colonias de levadura se trasladaban de un medio rico en triptófano a uno mínimo, los revertantes seguían apareciendo durante varios días. El grado de revertantes observados en la levadura no era tan alto como en las bacterias. Otros científicos han realizado experimentos similares, como Hall, que estudió los revertantes de histidina , o Steele y Jinks-Robertson, que estudiaron la lisina . Estos experimentos demuestran cómo la recombinación y la replicación del ADN son necesarias para la mutación adaptativa. Sin embargo, en las células estudiadas con lisina, la recombinación continuó ocurriendo incluso sin selección para ella. Steele y Jinks-Robertson concluyeron que la recombinación ocurría en todas las circunstancias, adaptativas o no, mientras que las mutaciones solo estaban presentes cuando eran beneficiosas y adaptativas. ^{[ 1 ]}

Aunque la producción de mutaciones durante la selección no fue tan vigorosa como la observada en bacterias, estos estudios son convincentes. Como se mencionó anteriormente, un estudio posterior refuerza aún más los resultados con lys2 . Steele y Jinks-Robertson ^{[ 12 ]} descubrieron que los protótrofos LYS, debido a eventos de recombinación intercromosómica, también siguen surgiendo en células que no se dividen, pero en este caso, la producción de recombinantes continuó independientemente de si había selección para ellos o no. Por lo tanto, la mutación ocurrió en la fase estacionaria solo cuando era adaptativa, pero la recombinación ocurrió independientemente de si era 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, comenzaron a aparecer colonias de células resistentes después de 5 a 10 días y continuaron apareciendo durante 1 a 2 semanas posteriores. Estas resistencias podrían haber resultado de la amplificación génica, aunque los fenotipos fueron estables durante un corto período de crecimiento no selectivo. Sin embargo, también aparecieron revertantes de dos auxotrofías con una cinética similar. Hasta el momento, no se ha demostrado que ninguno de estos eventos en Candida albicans sea específico de la selección impuesta.