jueves, 30 de julio de 2009

Microorganismos que pueden predecir cambios en el ambiente: implicaciones y usos.


Un equipo de científicos del Instituto Weizmann (Israel) ha descubierto dos casos en los que un microorganismo hace predicciones acerca de cómo su entorno puede cambiar en el futuro, basándose en cómo ha cambiado en el pasado. Las noticias sobre este hallazgo han hablado de “aprendizaje”, y hay quien ha llegado a referirse a este fenómeno como “inteligencia no-neuronal”. Los resultados, que han aparecido publicados en Nature [1], podrían poner fin a algunos principios centenarios de la biología.

El equipo examinó en primer lugar la bacteria Escherichia coli [en la imagen], una de los varios cientos de especies microbianas que, sin causar daño, habitan en nuestro intestino. La E. coli se instala en el intestino grueso tras atravesar el resto del sistema digestivo. Este desplazamiento implica pasar de un entorno rico en lactosa a otro rico en maltosa o, en otras palabras, un cambio en los nutrientes disponibles para la bacteria.

Los investigadores encontraron que en el momento en que se ve expuesta a la lactosa, la E. coli comienza inmediatamente a activar pequeñas cantidades de genes para digerir la maltosa también, aunque todavía no haya nada presente. En otras palabras, la E. coli es capaz de comprender de alguna manera que hay presencia de lactosa y predecir que la siguiente comida será maltosa.

El biólogo molecular de Princeton Saeed Tavazoie comenzó a investigar este tipo de fenómeno en 2002, tras la publicación de un artículo en el que se demostraba que la levadura, cuando se la somete a un estímulo estresante como la alta temperatura, activa un gran conjunto de genes que no tienen ninguna función a la hora de combatir el stress. Era evidente que había una desconexión, que era necesario por tanto repensar todos los principios que se suponen rigen la respuesta de los microorganismos a sus entornos.

Lo que Tavazoie demostró en un estudio publicado el año pasado en Science [2], y que el equipo del Weizmann también argumenta en el artículo de Nature, es que los microorganismos son capaces de interactuar con sus alrededores de una manera que va más allá de un simple comportamiento reflejo. Aunque pre-inducir la expresión de genes desvía recursos en el primer ambiente y, por lo tanto, temporalmente dificulta la supervivencia del organismo, confiere sin embargo una ventaja adaptativa en el futuro. Dicho de otra manera, la previsión es un gasto de energía a corto plazo con miras a ganancias en supervivencia a largo plazo.

La E. coli es unicelular y no tiene, obviamente, un sistema nervioso capaz de realizar funciones tan elaboradas como aprender, anticiparse o hacer predicciones, no digamos hacer un balance coste-beneficio. ¿Cómo, entonces, son capaces de realizar asociaciones tan complejas y “preparase” para acontecimientos futuros? La respuesta, simplemente, es que no lo hacen. El hablar de aprendizaje, y todas las ideas asociadas, es sólo una analogía para describir cómo estos microorganismos “representan” sus entornos. Mucha de la motivación de los investigadores parte de esta analogía, según reconoce Amir Mitchell, autor principal del estudio del Weizmann.

Si no es aprendizaje, entonces ¿qué? En una palabra, evolución. Millones de generaciones de microorganismos que evolucionan rápidamente. Y que mediante la mutación y la selección natural se han convertido en seres altamente aptos que interaccionan de forma optimizada con sus ambientes. Si estos ambientes presentan pautas consistentes y repetitivas, la adaptación a estos ciclos se puede describir como “anticipación de fenómenos futuros”.

En posteriores experimentos el equipo de Mitchell estudió la levadura, que se usa ampliamente en investigación como organismo modelo. Simularon para ello las condiciones que tienen lugar repetidamente en el proceso de la fermentación alcohólica (de cerveza) y que suponen una serie de estreses para este hongo unicelular. Los investigadores demuestran que la levadura presenta una mejor supervivencia cuando los estreses se presentan en el orden habitual, en comparación con la que presentan si los mismos estreses se presentan en el orden inverso. En otras palabras, la levadura también tiene un “comportamiento predictivo”. A diferencia de la E. coli, que ha vivido en los sistemas digestivos millones de años, la levadura a desarrollado esta adaptación en los más o menos 7.000 que el hombre lleva fabricando cerveza.

Las implicaciones de los trabajos de Tavazoie y Mitchell son importantes, teórica y prácticamente. Teóricamente, porque el concepto mismo de homeostasis es puesto en cuestión. Durante más de un siglo se ha asumido que cuando se le hace algo a un organismo, como someterlo a calor o bañarlo en azúcares, la respuesta del organismo está directamente relacionada con el estímulo. Esta idea sería incorrecta de una forma fundamental, de tal manera que se haría necesaria una revisión de todos los resultados de la investigación con microorganismos a la luz de estos nuevos datos.

Prácticamente, porque tiene aplicaciones directas en la biología de síntesis. Existe ahora la posibilidad de forzar a un microorganismo a aprender, pudiendo programar sus respuestas genéticas en un período relativamente corto de meses o años. No sólo esto, también estudiando las respuestas genéticas de un organismo se podrá inferir en qué ambientes ha evolucionado.

Referencias:

[1]

Mitchell, A., Romano, G., Groisman, B., Yona, A., Dekel, E., Kupiec, M., Dahan, O., & Pilpel, Y. (2009). Adaptive prediction of environmental changes by microorganisms Nature, 460 (7252), 220-224 DOI: 10.1038/nature08112

[2]

Tagkopoulos, I., Liu, Y., & Tavazoie, S. (2008). Predictive Behavior Within Microbial Genetic Networks Science, 320 (5881), 1313-1317 DOI: 10.1126/Science.1154456

2 comentarios:

Arturo Goicoechea dijo...

Es interesantísimo que se proponga un modo predictivo, proactivo, en las decisiones biológicas y no reactivo, reflejo, como predomina en la concepción actual.

El trabajo compara el patrón anticipativo de respuesta con el condicionamiento clásico pavloniano. Como neurólogo interesado en la biología me he alegrado mucho de conocer estos datos de Escherichia coli y levaduras.

Reitero mi felicitación por el blog.

César dijo...

Muchas gracias, Arturo.

La microbiología, que parece un campo aburridísimo para un profano, como me considero yo, está generando casi diariamente noticias sorprendentes que, como ésta, obligan a replanterase todo el conocimiento admitido sobre como se supone que funciona este mundo y, lo que es más importante, sobre la Vida con mayúsculas.

Un cordial saludo.