Fundamentos de la Evolución Microbiana

La diversidad microbiana es reflejo de miles de millones de años de evolución y selección natural.

Definiciones Clave en Evolución

Evolución

Cambios producidos a lo largo del tiempo en el genoma que dan origen a la formación de una variedad o nueva especie. Implica la herencia de dichos cambios por parte de la descendencia a las siguientes generaciones.

Microevolución o Anagénesis

Acumulación de pequeños cambios genéticos en una población, que introduce variabilidad genética, pero no la suficiente como para resultar en especiación o extinción.

Macroevolución

Cambio evolutivo fundamental que conduce a la especiación o a la extinción (de aquellos organismos con menor éxito evolutivo).

La evolución explica la diversidad de los microorganismos actuales, así como su elevado nivel de complejidad. Todas las formas de vida existentes son organismos bien adaptados y muy eficientes en sus respectivos nichos ecológicos, al haber surgido de un proceso evolutivo bajo la presión de la selección natural.

Mecanismos de Cambio Genético en Microorganismos

Fuentes de Variabilidad Genética

Los principales mecanismos que impulsan el cambio genético en los microorganismos son:

  • Mutación: cambios en la secuencia nucleotídica del genoma.
  • Recombinación: intercambio de secuencias de ADN entre diferentes cepas.
  • Transposición: inserción de elementos transponibles en el genoma.
  • Transferencia Genética Horizontal (TGH): adquisición de genes de otros linajes.

Aunque una mutación da lugar a un cambio pequeño en la célula, la transferencia genética horizontal (TGH) puede generar cambios más significativos. En conjunto, las mutaciones y la TGH son el motor del proceso evolutivo.

Mecanismos de Intercambio Genético en Bacterias

Existen tres mecanismos principales de intercambio genético conocidos en bacterias:

  • Transformación: captación de ADN libre liberado por una célula por otra célula receptora.
  • Transducción: transferencia de ADN de una célula a otra mediante un bacteriófago (virus que infecta bacterias).
  • Conjugación: transferencia de ADN que requiere contacto directo célula-célula y la presencia de un plásmido conjugativo en la célula donadora. Un ejemplo relevante de las consecuencias de estos mecanismos es la diseminación de la resistencia a antibióticos.

Genómica Microbiana Comparativa

Genoma Esencial y Pangenoma

  • Genoma esencial (core genome): conjunto de genes compartidos por todos los miembros de una especie.
  • Pangenoma: totalidad de los genes encontrados en las diferentes cepas de una especie, incluyendo el genoma esencial y los genes accesorios (presentes solo en algunas cepas).

Especiación y Adaptación Microbiana

Influencia del Medio Ambiente en la Especiación Bacteriana

Un posible mecanismo de especiación bacteriana, influenciado por el medio ambiente, se desarrolla de la siguiente manera:

  1. Varios ecotipos pueden coexistir en un único hábitat microbiano, ocupando cada uno su propio nicho ecológico primario.
  2. Cuando se produce una mutación beneficiosa dentro de un ecotipo, la célula que contiene dicha mutación adaptativa puede proliferar y, finalmente, formar una población que reemplace al ecotipo original.
  3. Al repetirse este proceso dentro de un determinado ecotipo, se puede formar una población de células genéticamente distintas que representa una nueva especie.

Puesto que otros ecotipos no compiten por los mismos recursos, no se verán afectados por los sucesos genéticos y selectivos que tienen lugar en este ecotipo particular. La selección natural favorece el desarrollo de poblaciones que presentan mutaciones adaptativas.

Deriva Genética

La deriva genética es un proceso aleatorio que puede causar que las frecuencias génicas en una población cambien con el tiempo, conduciendo a la evolución incluso en ausencia de selección natural, especialmente en poblaciones pequeñas.

Cronómetros Moleculares en Estudios Evolutivos

Concepto y Aplicación

Los cronómetros moleculares son moléculas utilizadas para clasificar microorganismos y medir distancias evolutivas entre organismos. Se basan en el principio de que todas las especies han evolucionado a partir de un ancestro común por acumulación de mutaciones. Estas herramientas miden las diferencias entre secuencias homólogas (de nucleótidos o aminoácidos).

Desafíos de los Cronómetros Moleculares

Su uso presenta ciertos inconvenientes:

  • La velocidad de cambio de la secuencia puede variar de un organismo a otro.
  • Pueden tener lugar procesos de especiación rápidos motivados por cambios ambientales bruscos, alterando las tasas evolutivas esperadas.
  • Moléculas diferentes, e incluso distintas regiones de la misma molécula, pueden cambiar a velocidades diferentes.

Criterios para la Elección de un Cronómetro Molecular Adecuado

La selección de un cronómetro molecular apropiado debe considerar las siguientes características:

  • Presencia universal: la molécula debe tener una distribución universal y ser esencial para la vida.
  • Constancia funcional: debe ser funcionalmente homóloga en los organismos comparados.
  • Tamaño adecuado: debe contener una cantidad de información suficiente para el análisis.
  • Regiones conservadas y variables: debe presentar regiones conservadas (constantes) y variables que permitan alinear adecuadamente las secuencias e identificar tanto homologías como heterogeneidades.
  • Reflejo del cambio evolutivo: la secuencia de la molécula escogida debe reflejar fielmente el cambio evolutivo.
  • Tasa de mutación adecuada: la secuencia en su región variable deberá cambiar a una velocidad proporcional a la distancia filogenética que se va a determinar. Cuanto mayor sea la distancia filogenética, más lenta deberá ser la velocidad de cambio de la molécula.

Cronómetros Moleculares Comúnmente Utilizados

Entre los cronómetros moleculares más empleados se encuentran:

  • Genes que codifican para la ATPasa.
  • Genes que codifican para la proteína RecA.
  • Genes que codifican para el ARN ribosómico (ARNr).

Los ARNr 16S (en procariotas) y 18S (en eucariotas), procedentes de la subunidad pequeña del ribosoma (SSU, por sus siglas en inglés Small Subunit), son particularmente manejables experimentalmente en comparación con los ARNr 23S y 28S (de la subunidad grande).

El ARNr como Cronómetro Evolutivo Clave

El ARN ribosómico (ARNr) es un excelente cronómetro evolutivo debido a varias propiedades:

  • Es una de las moléculas más antiguas, ya establecida en el ancestro común universal.
  • Cumple una función esencial para la vida (síntesis de proteínas) y se ha mantenido funcionalmente constante en los tres dominios de la vida (Archaea, Bacteria, Eukarya).
  • Presenta distribución universal en todos los seres vivos.
  • Contiene regiones altamente conservadas (comunes a todos los organismos), útiles para obtener alineamientos de secuencias fiables.
  • Posee suficiente variabilidad de secuencia en otras regiones para establecer distancias evolutivas, lo que permite su uso como cronómetro molecular.

Filogenia Microbiana

Procedimiento del Análisis Filogenético Molecular

El análisis filogenético basado en secuencias de ARNr (u otros marcadores) generalmente sigue estos pasos:

  1. Amplificación del gen marcador: amplificación directa del ADN genómico que codifica para el ARNr 16S o 18S (u otro gen de interés) mediante la Reacción en Cadena de la Polimerasa (PCR).
  2. Secuenciación: determinación de la secuencia de nucleótidos del producto de PCR. Históricamente, la secuenciación de Sanger utilizaba etiquetas radiactivas, pero los sistemas automatizados modernos emplean etiquetas fluorescentes (una para cada ddNTP diferente) y detectan los fragmentos de ADN (separados por electroforesis capilar) con un láser.
  3. Análisis de secuencias:
    1. Alineación de la secuencia obtenida con secuencias de referencia obtenidas en estudios previos y depositadas en bases de datos públicas (ej. GenBank, RDP).
    2. Análisis comparativo de las secuencias alineadas mediante programas informáticos especializados.
    3. Construcción de árboles filogenéticos para visualizar las relaciones evolutivas de la secuencia problema con las secuencias de referencia.

Interpretación y Utilidad de los Árboles Filogenéticos

Un árbol filogenético es un diagrama que representa la historia evolutiva de los organismos incluidos en él, mostrando sus relaciones de parentesco, de forma análoga a un árbol genealógico. Aunque la mayoría de los microorganismos no han dejado un registro fósil extenso, sus relaciones ancestrales pueden inferirse a partir de la comparación de secuencias de ADN (o proteínas) de organismos actuales.

Es probable que los organismos que comparten un antepasado reciente compartan también otras características. Por ello, los árboles filogenéticos permiten hacer predicciones sobre las propiedades de un organismo basándose en su posición filogenética. Además, son herramientas de gran utilidad en taxonomía para la clasificación e identificación de especies.

Tipos de Representaciones Filogenéticas

Existen diferentes formas de representar las relaciones filogenéticas:

  • Cladograma: representación gráfica de un conjunto de especies emparentadas que indica relaciones de similitud (parentesco relativo). La longitud de las ramas no tiene significado cuantitativo; solo indican el orden en el que se sucedieron las divergencias evolutivas (nodos).
  • Árboles ultramétricos (o dendrogramas con raíz temporal): suponen que la tasa de sustitución de nucleótidos o aminoácidos es constante en todos los linajes (hipótesis del reloj molecular). En estos árboles, las Unidades Taxonómicas Operacionales (OTUs, por sus siglas en inglés) terminales son equidistantes de la raíz, y la longitud de las ramas es proporcional al tiempo de divergencia.
  • Filograma (o árbol métrico): la longitud de las ramas es proporcional al número de cambios evolutivos (divergencia genética) entre los taxones representados. Indica relaciones de similitud, patrones evolutivos y distancias genéticas. Suelen incluir una barra de escala que muestra la tasa de sustitución de nucleótidos (o la distancia evolutiva correspondiente).

Técnicas Avanzadas en Filogenia Microbiana

Análisis de Secuencias Multilocus (MLSA)

El Análisis de Secuencias Multilocus (MLSA, por sus siglas en inglés Multilocus Sequence Analysis) es una técnica filogenética que generalmente emplea un mínimo de cuatro genes conservados (genes constitutivos o housekeeping), aunque puede incluir más de 100 genes si se dispone de datos genómicos completos.

Estos genes pueden ser analizados de forma independiente, o sus secuencias pueden ser concatenadas (unidas en un único alineamiento) y analizadas como una unidad para producir un árbol filogenético más robusto. Existen herramientas bioinformáticas que automatizan la selección de los genes a analizar a partir de los genomas, los alinean y calculan las distancias evolutivas basándose en las secuencias de estos múltiples genes. Este enfoque representa un estudio bioinformático más complejo pero a menudo más preciso que el basado en un solo gen.