El mundo se vería muy diferente sin los organismos multicelulares: elimine las plantas, los animales, los hongos y las algas marinas, y la Tierra comenzará a parecerse a una versión más húmeda y verde de Marte. Pero todavía no se comprende bien cómo evolucionaron los organismos multicelulares a partir de ancestros unicelulares. La transición ocurrió hace cientos de millones de años, y las primeras especies multicelulares se extinguieron en gran medida.
Para explorar cómo evolucionó la vida multicelular desde cero, los investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia decidieron tomar la evolución en sus propias manos. condujo Guillermo RatcliffeProfesor Asociado en Facultad de Ciencias Biológicas y gerente Posgrado interdisciplinario en ciencias biológicas cuantitativasun equipo de investigadores ha comenzado 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 el organismo modelo, la «levadura de copo de nieve», comenzaba a adaptarse como individuos multicelulares. en Investigación publicada en naturaleza, el equipo muestra cómo la levadura de copo de nieve evolucionó para ser físicamente más fuerte y más de 20 000 veces más fuerte que sus antepasados. Este tipo de evolución biofísica es una condición previa 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 multicelular (MuLTEE), que el equipo espera ejecutar durante décadas.
«Conceptualmente, lo que queremos entender es cómo los grupos simples de células se convierten en organismos, con especialización, crecimiento coordinado, comportamientos multicelulares emergentes, ciclos de vida, las cosas que distinguen la escoria de un estanque de un organismo capaz de una evolución sostenida», dijo Ratcliffe. «Comprender este proceso es un objetivo importante de nuestro campo».
Experimentando con la evolución a largo plazo de la multicelularidad
Ozan BozdagComenzando con la levadura de copo de nieve unicelular, científico investigador, ex investigador postdoctoral en el grupo Ratcliffe y primer autor del artículo MuLTEE en 2018. Bozdag cultivó la levadura en incubadoras con agitación y cada día se seleccionó tanto para un crecimiento más rápido como para un tamaño de grupo más grande.
El equipo eligió el tamaño del organismo porque todos los linajes multicelulares comenzaron pequeños y simples, y muchos evolucionaron para volverse más grandes y poderosos con el tiempo. Se cree que la capacidad de desarrollar cuerpos grandes y duros desempeña un papel en el aumento de la complejidad, ya que requiere nuevas innovaciones biofísicas. Sin embargo, esta hipótesis no ha sido probada directamente en el laboratorio.
Durante más de 3000 generaciones de evolución, su levadura ha evolucionado para formar poblaciones más de 20 000 veces más grandes que sus antepasados. Han pasado de ser invisibles a simple vista al tamaño de una mosca de la fruta, conteniendo más de medio millón de células. La levadura de copo de nieve individual ha desarrollado nuevas propiedades físicas: aunque comenzó siendo más débil que la gelatina, ha evolucionado para ser tan fuerte y dura como la madera.
Nuevas adaptaciones biofísicas
Al investigar cómo la levadura de copo de nieve se adaptaba para hacerse más grande, los investigadores notaron que las propias células de levadura se alargaban, lo que reducía la densidad de las células apiladas en el grupo. Este alargamiento celular ralentizó la acumulación de estrés de célula a célula que normalmente causaría que los grupos se rompieran, lo que permitiría que los grupos se hincharan. Pero ese hecho por sí solo debería haber llevado solo a ligeros aumentos en el tamaño y la rigidez multicelular.
Para descubrir los mecanismos biofísicos exactos que permitieron el crecimiento a un tamaño microscópico, los investigadores necesitaban mirar dentro de las poblaciones de levadura para ver cómo interactuaban físicamente las células. Los microscopios de luz ordinarios no pudieron penetrar los cúmulos grandes y densamente empaquetados, por lo que los investigadores utilizaron un microscopio electrónico de barrido para obtener imágenes de miles de rebanadas ultrafinas de levadura, dándoles su estructura interna.
«Descubrimos que había un mecanismo físico completamente nuevo que permitía que los grupos crecieran hasta este tamaño muy, muy grande», dijo Bozdag. «Las ramas de la levadura se entrelazaron: las células del racimo desarrollaron un comportamiento similar al de una vid, envolviéndose entre sí y enderezando toda la estructura».
Una vez que se eligió el tamaño del organismo, los investigadores descubrieron cómo aprovechar el mecanismo biomecánico de la sinapsis, que terminó haciendo que la levadura fuera unas 10.000 veces más fuerte que los materiales.
«El entrelazamiento se ha estudiado previamente en sistemas muy diferentes, principalmente en polímeros», dijo. pedro junkerProfesor Asociado en escuela de fisica y coautor del artículo. «Pero aquí vemos el enredo a través de un mecanismo completamente diferente: el crecimiento de las células y no solo a través de su movimiento».
La observación de marañas fue un punto de inflexión en la comprensión de los investigadores sobre cómo evolucionaron las poblaciones multicelulares simples. Como organismo multicelular completamente nuevo, la levadura copo de nieve carece de los sofisticados mecanismos de desarrollo que caracterizan a los organismos multicelulares modernos. Pero después de solo 3000 generaciones de evolución in vitro, la levadura descubrió cómo impulsar los ovillos celulares y utilizarlos como un mecanismo de desarrollo.
Las investigaciones preliminares de otros hongos multicelulares muestran que también forman cuerpos multicelulares altamente entrelazados, lo que sugiere que el entrelazamiento es una característica multicelular generalizada e importante en esta rama de la vida multicelular.
«Estoy realmente emocionado de tener un sistema modelo en el que podamos desarrollar vida multicelular miles de generaciones antes, aprovechando el tremendo poder de la ciencia moderna», dijo Ratcliffe. «En principio, podemos comprender todo lo que sucede, desde la biología celular evolutiva hasta los rasgos biofísicos que están directamente sujetos a la selección».
Durante mucho tiempo, los humanos han trabajado con la biología para desarrollar cosas nuevas, desde el maíz que comemos hasta los perros, pollos y palomas domesticados. Según Ratcliffe, lo que hace su equipo no es muy diferente.
«Al poner nuestro dedo en la escala de la evolución de un organismo unicelular, podemos aprender 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 saga de descubrimiento multicelular a medida que continuamos avanzando en la levadura de copos de nieve de MuLTEE».
Cita: Bozdag GO, Zamani-Dahaj SA, Day TC, Kahn PC, Burnetti AJ, Lac DT, Tong K, Conlin PL, Balwani AH, Dyer EL, Yunker PJ. Evolución de novo de la multicelularidad macroscópica. naturaleza2023.
DOI: 10.1038/s41586-023-06052-1
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método de investigación
Estudio piloto
Tema de investigación
No aplica
Título del artículo
Evolución de novo de la multicelularidad macroscópica
La fecha en que se publicó el artículo.
10 de mayo de 2023
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