La mayoría de las reacciones metabólicas están catalizadas por enzimas generalistas, que reconocen diferentes sustratos

Las enzimas son proteínas que catalizan reacciones químicas logrando que la velocidad de la reacción crezca muchos órdenes de magnitud. Los libros de texto afirman que las enzimas son muy selectivas y están especializadas en catalizar una única reacción química con un sustrato específico. Sin embargo, el 65% de las reacciones químicas conocidas en el metabolismo de la bacteria Escherichia coli son catalizadas por solo el 37% de sus enzimas, que actúan como tales en varios sustratos, es decir, son generalistas y presentan varios sitios activos. Se publica un artículo en Science que trata de contestar por qué la evolución ha hecho que algunas enzimas sean “promiscuas” y otras muy “especializadas.” Su respuesta es el contexto in vivode la reacción química en la red metabólica a la que pertenece; este contexto parece ser la causa de que algunas enzimas hayan evolucionado hacia una alta especificidad. De hecho, las enzimas especializadas suelen ser esenciales, presentan un mayor flujo metabólico y para el control de dicho flujo requieren una mayor regulación de su actividad. Más aún, la existencia de gran número de enzimas generalistas es una propiedad conservada en todos los taxones de seres vivos, tanto en arqueas, como bacterias y eucariontes. No hay evidencia de una convergencia evolutiva general de las enzimas hacia la especialización; solo algunas presentan esta tendencia, mostrando que la presión de la selección natural intracelular también afecta a la evolución de las enzimas. El artículo técnico es Hojung Nam et al., “Network Context and Selection in the Evolution to Enzyme Specificity,” Science 337: 1101-1104, 31 August 2012.

La evolución en acción observada en 40000 generaciones de Escherichia coli durante 20 años

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En el año de Darwin, Richard Lenski tenía que demostrar la selección natural en acción. Él y su grupo han cultivado desde 1988 doce poblaciones de un clon de la bacteria Escherichia coli B (clon REL606) llamado ancestro. Cada cultivo se ha mantenido a temperatura constante, 37 °C, con un suplemento fijo de glucosa, 25 mg/l, transferiendo cada día 0.1 ml de cultivo a un cultivo fresco de 9.9 ml. Periódicamente se han criogenizado a –80 °C muestras de las bacterias cuyo genoma ha sido secuenciado y su fenotipo analizado. Durante las primeras 20000 generaciones las mutaciones se acumularon a un ritmo constante, 2 cada 1000 generaciones, siendo la mayoría beneficiosas para el éxito reproductivo (fitness) de los descendientes de REL606. La selección natural en acción. El fitness creció fuertemente, aunque de forma no lineal, a un ritmo relativo de 1.5 en las primeras 5000 generaciones, que más tarde se hizo más lento (ver la figura de arriba). Las 20000 generaciones siguientes una mutación en el gen mutT (que codifica una proteína que repara el ADN) provocó un fuerte incremento en la tasa de mutaciones (de 45 mutaciones en total en las primeras 20000 generaciones se pasó a 600 en las últimas 20000, gráfico insertado en la figura). La mayoría de estas mutaciones no han tenido un impacto en las proteínas codificadas por el genoma de la bacteria luego no han repercutido en su fenotipo. La hipótesis usual de que la selección natural y la evolución progresan a un ritmo constante queda refutada con este experimento, que muestra claramente que la evolución progresa por periodos alternos de rápida evolución fenotípica (con pocas mutaciones que incrementan el fitness) y etapas de mantenimiento de los linajes más exitosos (con muchas mutaciones que no afectan al fenotipo). Nos lo cuenta Paul B. Rainey, “Evolutionary biology: Arrhythmia of tempo and mode,” Nature 461: 1219-1221, 29 October 2009, haciéndose eco del artículo técnico de Jeffrey E. Barrick et al., “Genome evolution and adaptation in a long-term experiment with Escherichia coli,” Nature 461: 1243-1247, 29 October 2009. Las 27 páginas de información suplementaria describen en detalle todas las mutaciones y los polimorfismos de un sólo nucleótido observadas durante este interesante experimento.