Gran parte de lo que hacen las células vivas lo llevan a cabo las «máquinas moleculares», que son complejos físicos de proteínas especializadas, que trabajan juntas para llevar a cabo alguna función biológica. El cómo llevan estos diminutos pasos de la evolución a  producir estas construcciones hace mucho que intriga a los científicos, además de ser el objetivo favorito de los creacionistas.

En un estudio publicado a primeros de año en la revista Nature, el 8 de enero, un equipo de científicos de la Universidad de Chicago y la Universidad de Oregon, demostrando que sólo con algunas pequeñas mutaciones de alta probabilidad, aumentaría la complejidad de la máquinaria molecular de hace más de 800 millones años. Bioquímicamente, se pueden revivir antiguos genes y probar sus funciones en organismos modernos, los investigadores demostraron que un nuevo componente fue incorporado en esta ‘máquina’, debido a la pérdida selectiva de una función, en lugar de la aparición repentina de nuevas capacidades.

«Nuestra estrategia era utilizar «viajes en el tiempo molecular» para reconstruir y caracterizar experimentalmente todas las proteínas de esta máquina molecular, justo antes y después de que incrementara su complejidad», explicaba el autor senior del estudio, Joe Thornton, profesor de genética humana y de evolución y ecología en la Universidad de Chicago, profesor de biología en la Universidad de Oregon, y profesional científico del Instituto Médico Howard Hughes.

«Con la reconstrucción de componentes de la máquina, tal como existía en un pasado lejano», decía Thornton, «hemos sido capaces de establecer exactamente cómo cada función de la proteína ha cambiado con el tiempo, e identificamos las mutaciones genéticas específicas que han provocado que la máquina se vuelva más elaborada.»

El estudio —una colaboración del laboratorio de evolución molecular de Thornton, junto al grupo de investigación bioquímica de Stevens Tom, de la UO, profesor de química y miembro del Instituto de Biología Molecular—, se centraron en el complejo molecular llamado bomba de protones V-ATPase, que ayuda a mantener la apropiada acidez de los compartimientos de la célula.

Uno de los principales componentes de la bomba es un anillo que transporta iones de hidrógeno a través de las membranas. En la mayoría de las especies, el anillo se compone de un total de seis copias de dos proteínas distintas, pero en los hongos hay un tercer tipo de proteínas que se ha incorporado en el complejo.

Para entender cómo este anillo aumenta en complejidad, Thornton y sus colegas han «resucitado» versiones ancestrales del anillo de proteínas, justo antes y justo después de que la tercera subunidad se incorporara. Para ello, utilizaron un grupo grande de ordenadores que analizaban las secuencias genéticas de 139 modernos anillos de proteínas de hoy en día, trazando la evolución hacia atrás en el tiempo a lo largo del árbol de la vida, para identificar las secuencias ancestrales más probables. Luego utilizaron métodos bioquímicos para sintetizar esos genes antiguos y lograr expresarlos en células de levadura moderna.

Grupo de investigación de Thornton ha ayudado en este enfoque pionero de un viaje molecular en el tiempo de un solo gen, siendo la primera vez que se ha aplicado a todos los componentes de una máquina molecular.

El grupo descubrió que el tercer componente del anillo del hongo se originó cuando el gen que codifica una de las subunidades de antiguos anillos de ambas proteínas se duplicó, y más tarde, sus genes hijos divergieron siguiendo sus propios senderos evolutivos.

El antepasado previo a la duplicación ​​resultó ser más versátil que cualquiera de sus descendientes, de hecho, con la expresión del gen ancestral rescatado, la levadura moderna fallaba en su crecimiento porque uno o ambos genes descendientes del anillo de proteínas había sido eliminado, y por el contrario, cada gen resucitado después de la reproducción, sólo podía compensar la pérdida de un solo gen del anillo de proteína.

Los investigadores concluyeron que las funciones de la proteína ancestral fue repartida entre los duplicados, y el aumento de la complejidad se debió a la pérdida de las funciones complementarias ancestrales en lugar de ganar otras nuevas. Hábilmente, diseñando un conjunto de proteínas ancestrales, que fusionadas entre sí con orientaciones específicas, el grupo demostró que las proteínas duplicadas perdieron su capacidad de interactuar con otras proteínas del anillo. Mientras que el ancestro previo a la duplicación podía ocupar cinco de las seis posiciones posibles dentro del anillo, cada gen duplicado perdía la capacidad de llenar algunos de los espacios ocupados por la otra, por lo tanto los componentes se vieron obligados a la complejidad, a ensamblarse y cumplir las funciones.

«Parece en contra de la intuición, pero es simple: la complejidad aumentó porque las funciones de la proteína se perdieron, no ganaron», dijo Thornton. «Así como en la sociedad, la complejidad aumenta cuando las personas y las instituciones se olvidan de cómo ser generalistas, y llegan a depender de los especialistas con capacidades cada vez más estrechas».

El último objetivo del equipo de investigación, fue identificar las mutaciones genéticas específicas que causaron los descendientes post-duplicación de una degeneración funcional. Reintroduciendo las mutaciones históricas que se produjeron después de la duplicación dentro de la proteína ancestral, se encontraron con que bastó una sola mutación de cada uno de los dos linajes, para destruir mismas funciones específicas y provocar la necesidad de un anillo de tres proteínas.

«Los mecanismos de este aumento de complejidad son acontecimientos increíblemente simples y comunes», continuó Thornton. «La duplicación de genes se producen con frecuencia en las células, y es fácil que el fallo en la copia del ADN pueda destruir la capacidad de una proteína para interactuar con algunos de sus miembros. No se trata de que la evolución necesitara el suceso de una combinación especial de 100 mutaciones que crear algunas nuevas y complicadas funciones.»

Thornton propone que la acumulación de cambios simples y degenerativos cambios, durante largos períodos de tiempo pudieron haber creado muchas de las complejas máquinas moleculares presentes en los organismos en la actualidad. Dicho mecanismo se opone al concepto de diseño inteligente de «complejidad irreducible», la afirmación de que las máquinas moleculares son demasiado complejas para haberse formado paso a paso a través de la evolución.

«Espero que cuando se hagan más estudios como éste, se podrá observa una dinámica similar en la evolución de muchos de los complejos moleculares», añadió Thornton.

«Estas no son para nada una ingeniería de precisión de las máquinas», agregó. «Son grupos de moléculas que se pegan unas a otras, improvisando retoques durante la evolución, la degradación y la buena suerte, y se ha mantenido porque ayudó a nuestros antepasados a sobrevivir.»

• Referencia: PhysOrg.com, 8 de enero 2012
• Más información: «Evolution of increased complexity in a molecular machine,» appears in the January 18, 2012, issue of Nature, doi: 10.1038/nature10724 .
• Fuente:  University of Chicago.
• Pedro Doanire
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