Para investigar cómo evoluciona la vida multicelular desde cero, los investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia decidieron tomar la evolución en sus propias manos. Dirigido por William Ratcliff, profesor asociado de la Facultad de Ciencias Biológicas y director del Programa Interdisciplinario de Graduados en Biociencias Cuantitativas, un equipo de investigadores ha iniciado el primer experimento de evolución a largo plazo destinado a desarrollar nuevos tipos de organismos multicelulares a partir de ancestros unicelulares. en el laboratorio.

Durante más de 3.000 generaciones de evolución de laboratorio, los investigadores observaron cómo su organismo modelo, la « levadura de copo de nieve », comenzaba a adaptarse como individuos multicelulares. En una investigación publicada en Nature, el equipo muestra cómo la levadura de copo de nieve evolucionó para ser físicamente más fuerte y más de 20 000 veces más grande que su antepasado. Este tipo de evolución biofísica es un requisito previo para el tipo de vida multicelular grande que se puede ver a simple vista. Su estudio es el primer informe importante sobre el Experimento de Evolución a Largo Plazo de Multicelularidad (MuLTEE) en curso, que el equipo espera ejecutar durante décadas.

« Conceptualmente, lo que queremos entender es cómo los grupos simples de células evolucionan hasta convertirse en organismos, con especialización, crecimiento coordinado, comportamientos multicelulares emergentes y ciclos de vida, lo que diferencia una pila de escoria de estanque de un organismo que es capaz de sostenerse. evolución », dijo Ratcliff. « Comprender ese proceso es un objetivo importante de nuestro campo ».

El experimento de evolución a largo plazo de la multicelularidad

Ozan Bozdag, científico investigador y exinvestigador postdoctoral en el grupo de Ratcliff y primer autor del artículo, inició el MuLTEE en 2018, comenzando con levadura de copo de nieve unicelular. Bozdag cultivó la levadura en incubadoras con agitación y cada día la seleccionó tanto para un crecimiento más rápido como para un tamaño de grupo más grande.

El equipo seleccionó el tamaño del organismo porque todos los linajes multicelulares comenzaron pequeños y simples, y muchos evolucionaron para ser más grandes y robustos con el tiempo. Se cree que la capacidad de desarrollar cuerpos grandes y resistentes desempeña un papel en el aumento de la complejidad, ya que requiere nuevas innovaciones biofísicas. Sin embargo, esta hipótesis nunca había sido probada directamente en el laboratorio.

Durante aproximadamente 3000 generaciones de evolución, su levadura evolucionó para formar grupos que eran más de 20 000 veces más grandes que su antepasado. Pasaron de ser invisibles a simple vista al tamaño de las moscas de la fruta, conteniendo más de medio millón de células. La levadura de copo de nieve individual desarrolló propiedades materiales novedosas: aunque comenzaron siendo más débiles que la gelatina, evolucionaron para ser tan fuertes y resistentes como la madera.

Nuevas adaptaciones biofísicas

Al investigar cómo la levadura de copo de nieve se adaptó para hacerse más grande, los investigadores observaron que las propias células de levadura se alargaban, lo que reducía la densidad de las células empaquetadas en el grupo. Este alargamiento celular ralentizó la acumulación de estrés de célula a célula que normalmente haría que los grupos se fracturaran, lo que permitió que los grupos se hicieran más grandes. Pero este hecho solo debería haber dado como resultado pequeños aumentos en el tamaño y la dureza multicelular.

Para descubrir los mecanismos biofísicos precisos que permitieron el crecimiento a un tamaño macroscópico, los investigadores necesitaban mirar dentro de los grupos de levadura para ver cómo interactuaban físicamente las células. Los microscopios de luz normales no pudieron penetrar en los grupos grandes y densamente empaquetados, por lo que los investigadores utilizaron un microscopio electrónico de barrido para obtener imágenes de miles de rebanadas ultrafinas de la levadura, lo que les dio su estructura interna.

« Descubrimos que había un mecanismo físico totalmente nuevo que permitía que los grupos crecieran hasta este tamaño muy, muy grande », dijo Bozdag. « Las ramas de la levadura se habían enredado : las células del racimo evolucionaron como una vid, envolviéndose entre sí y fortaleciendo toda la estructura ».

Simplemente seleccionando el tamaño del organismo, los investigadores descubrieron cómo aprovechar el mecanismo biomecánico de enredo, que terminó haciendo que la levadura fuera unas 10 000 veces más resistente como material.

« El entrelazamiento se ha estudiado previamente en sistemas totalmente diferentes, principalmente en polímeros », dijo Peter Yunker, profesor asociado en la Facultad de Física y coautor del artículo. « Pero aquí estamos viendo el enredo a través de un mecanismo completamente diferente : el crecimiento de las células en lugar de solo a través de su movimiento ».

La observación del enredo fue un punto de inflexión en la comprensión de los investigadores de cómo evolucionan los grupos multicelulares simples. Como organismo multicelular nuevo, la levadura de copo de nieve carece de los mecanismos de desarrollo sofisticados que caracterizan a los organismos multicelulares modernos. Pero después de solo 3000 generaciones de evolución en el laboratorio, la levadura descubrió cómo impulsar y cooptar el enredo celular como mecanismo de desarrollo.

Las investigaciones preliminares de otros hongos multicelulares muestran que también forman cuerpos multicelulares altamente enredados, lo que sugiere que el enredo es un rasgo multicelular muy extendido e importante en esta rama de la vida multicelular.

« Estoy muy emocionado de tener un sistema modelo en el que podamos evolucionar la vida multicelular temprana durante miles de generaciones, aprovechando el asombroso poder de la ciencia moderna », dijo Ratcliff. « En principio, podemos entender todo lo que está sucediendo, desde la biología celular evolutiva hasta los rasgos biofísicos que están directamente bajo selección ».

Durante mucho tiempo, los humanos han trabajado con la biología para desarrollar cosas nuevas, desde el maíz que comemos hasta perros domesticados, pollos y palomas de exhibición. Según Ratcliff, lo que está haciendo su equipo no es tan diferente.

« Al poner nuestro dedo en la escala de la evolución de un organismo unicelular, podemos descubrir cómo evolucionaron hacia organismos multicelulares progresivamente más complejos e integrados, y podemos estudiar ese proceso en el camino », dijo. « Esperamos que este sea solo el primer capítulo de una larga historia de descubrimiento multicelular a medida que continuamos evolucionando la levadura de copo de nieve en el MuLTEE ».