Evolução de Bactérias Pode Evitar Barreiras ao 'Pico' do Fitness | Revista Quanta

Há quase um século, o teórico evolucionista Sewall Wright imaginou uma paisagem de montanhas e vales. Os picos representavam estados de alta aptidão evolutiva para os organismos, enquanto os vales entre eles representavam estados de baixa aptidão. Os organismos podem mover-se através da paisagem através de um processo de mutação, subindo os picos à medida que os seus genes em mudança os ajudam a alcançar uma maior aptidão.

Wright, um dos fundadores da genética populacional moderna, ficou intrigado com um aparente paradoxo: se uma população de organismos conseguisse chegar ao topo de uma pequena colina, ficaria ali abandonada, rodeada por estados piores. Eles não poderiam atingir picos mais elevados sem primeiro atravessar a crise abaixo, algo que a seleção natural normalmente não permitiria.

Ao longo dos últimos cem anos, os biólogos evolucionistas têm utilizado modelos matemáticos e, cada vez mais, experiências de laboratório com organismos vivos para explorar como populações de todos os tamanhos podem mover-se através de paisagens de aptidão (por vezes chamadas paisagens adaptativas). Agora em um estudo recém-publicado in Ciência, os pesquisadores desenvolveram mais de um quarto de milhão de versões de uma bactéria comum e traçaram o desempenho de cada cepa para criar uma das maiores paisagens adaptativas já construídas em laboratório. Permitiu-lhes perguntar: Quão difícil é ir de um determinado ponto até os picos?

Surpreendentemente, o cenário acidentado de aptidão física foi percorrível para a maioria das bactérias: cerca de três quartos das estirpes tinham uma rota evolutiva viável para a resistência aos antibióticos. As descobertas apoiam a ideia, indicada por trabalhos teóricos anteriores, de que “vales” no fitness podem ser evitados mais facilmente do que se poderia pensar. Eles também abrem a porta para uma melhor compreensão de como as populações reais – de bactérias, mas talvez também de outros organismos – podem mudar sob a pressão da seleção natural.

Por muitas décadas, explorar paisagens de aptidão foi principalmente reserva de teóricos que trabalham com organismos simulados, ou de experimentalistas pioneiros que trabalham em uma escala relativamente pequena. Mas com o surgimento da tecnologia de edição genética fácil e barata, a equipe por trás do novo artigo se perguntou se seria possível construir uma paisagem adaptativa muito grande usando organismos vivos, disse Andre Wagner, professor de biologia da Universidade de Zurique e autor do novo artigo.

Eles decidiram representar graficamente os efeitos de aptidão de um único gene na bactéria Escherichia coli. A diidrofolato redutase, a enzima que esse gene codifica, é alvo do antibiótico trimetoprim, e mutações no gene podem tornar a bactéria resistente ao medicamento. Wagner e seus colegas, incluindo o autor principal Andrei Papkou, pós-doutorado na Universidade de Zurique, criou mais de 260,000 mil cepas geneticamente distintas de E. coli, cada um dos quais utilizou uma permutação diferente de nove aminoácidos no núcleo funcional de sua versão da enzima.

Eles cultivaram as cepas na presença de trimetoprima e acompanharam quais delas prosperavam. O gráfico dos seus dados revelou uma paisagem com centenas de picos de várias alturas, representando o quão bem cada uma das variantes genéticas (genótipos) permitiu que a bactéria escapasse à droga.

Em seguida, os pesquisadores analisaram o quão difícil seria para as diferentes cepas evoluirem para atingir um dos picos mais altos. Para cada genótipo, calcularam quais séries de mutações seriam necessárias para transformá-lo em uma das cepas altamente resistentes.

Tal como Wright previu há décadas, alguns caminhos terminavam em picos baixos que não deixavam oportunidades para melhorias adicionais. Mas muitos dos caminhos – rotas pelas quais, com uma mutação de cada vez, os organismos podiam mudar os seus genótipos – atingiram pontos bastante elevados.

“Obtivemos boas estatísticas sobre a frequência com que eles ficam presos em picos baixos”, disse Wagner. “E não é frequente. … Setenta e cinco por cento das nossas populações atingem resistências a antibióticos clinicamente relevantes.”

Isso está de acordo com o que Sam Scarpino, biólogo e modelador de doenças que é diretor de AI + Life Sciences da Northeastern University, disse que esperaria. “Eles têm esse resultado muito bom que previmos”, disse ele, apontando para um artigo teórico recente explorando a relação entre a robustez e a navegabilidade das paisagens de fitness. Quando os cenários de aptidão são de alta dimensão – quando vão além das simples três dimensões da imaginação da maioria das pessoas para, digamos, as nove dimensões usadas no estudo de Wagner – redes muito diferentes de genes reguladores que produzem as mesmas características físicas têm maior probabilidade de estar próximas. juntos em uma paisagem ou conectados por um caminho acessível.

Por exemplo, Wagner e Papkou descobriram que os picos mais elevados de resistência aos antibióticos no seu cenário experimental eram frequentemente rodeados pelo equivalente em nove dimensões de encostas muito largas; na verdade, eles tinham o formato mais parecido com o Monte Fuji do que com o Matterhorn. Como resultado, muitos genótipos começaram em algum lugar nas encostas dos picos de aptidão mais elevados, o que tornou mais fácil para essas linhagens chegarem ao topo.

Não era certo que os picos mais altos atraíssem a grande maioria dos genótipos, observou James O'Dwyer, ecologista teórico da Universidade de Illinois, Urbana-Champaign. Mas neste cenário parece ter sido esse o caso.

É por isso que construir cenários de fitness como Wagner, Papkou e seus colegas fizeram – cenários massivos baseados em organismos reais – é um passo importante para preencher a lacuna entre o que podemos supor ser verdade e o que realmente existe na natureza, em sistemas muito mais complexos do que podemos facilmente imaginar, disse Ben Kerr, professor de biologia na Universidade de Washington. “Como mapeamos nossas intuições… em situações que não fazem parte de nossa experiência?” ele disse. “É preciso treinar novamente a intuição. Um bom ponto de partida é fazê-lo com base em dados empíricos.”

Por maior que seja o panorama do fitness no novo artigo de Wagner, ele mostra apenas o que as bactérias são capazes de fazer em um único ambiente específico. Se os pesquisadores alterassem qualquer um dos detalhes – se alterassem a dose do antibiótico ou aumentassem a temperatura, por exemplo – obteriam um cenário diferente. Portanto, embora as descobertas pareçam sugerir que a maioria E. coli Embora as estirpes possam desenvolver resistência aos antibióticos, esse resultado pode ser muito menos provável ou muito mais provável no mundo real. Tudo o que parece certo é que a maioria das estirpes provavelmente não é irrevogavelmente sabotada pelos seus próprios pequenos sucessos.

Os próximos passos intrigantes para esta pesquisa poderiam, portanto, envolver a exploração de se alguma das regras que pareciam prevalecer na versão da paisagem do experimento poderia ser mais amplamente universal. “Se fossem, haveria alguma razão profunda subjacente para isso”, disse O'Dwyer.

Wagner e Papkou esperam explorar outras versões da paisagem em trabalhos futuros. Papkou observa que não é possível mapear de forma abrangente todas as permutações, mesmo de um único gene – a paisagem explodiria para um tamanho astronômico quase imediatamente. Mas com paisagens e modelos teóricos construídos em laboratório, ainda hoje deveria ser possível começar a explorar se os princípios universais sustentam a forma como uma entidade em evolução pode mudar em resposta ao seu ambiente.

“O resultado final é: é muito fácil para a evolução darwiniana começar numa posição subóptima e mover-se pela força da selecção natural para um pico de aptidão elevada”, disse Papkou. “Foi bastante surpreendente.”

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