Un evento de apareamiento masivo en el laboratorio revela cómo las células de levadura eligen parejas y qué predice el éxito de su descendencia.
Si bien los humanos a menudo luchan por encontrar una pareja que sea físicamente atractiva y un padre compartido confiable, es posible que la levadura ya haya descifrado la fórmula para la pareja perfecta. Al elegir pareja, estos organismos unicelulares tienden a elegir parejas que puedan aumentar las posibilidades de éxito de su descendencia, según un nuevo estudio realizado por científicos del Instituto Weizmann de Ciencias, publicado en Informes celulares.
El estudio también reveló un vínculo entre el éxito de los padres y la distancia genética entre ellos y el éxito de su descendencia, arrojando nueva luz sobre la evolución de la reproducción sexual.
Los hallazgos surgieron de un experimento de escala sin precedentes realizado en el laboratorio del profesor Yitzhak Pilpel. Los investigadores juntaron alrededor de 10 millones de células de levadura de aproximadamente 100 cepas diferentes, lo que les permitió mezclarse libremente mientras el equipo rastreaba sus opciones de apareamiento.
La levadura de panadería, conocida en la elaboración de pan y en la producción de alcohol, puede reproducirse de diferentes maneras. Cuando las condiciones ambientales son favorables, se multiplica mediante autorreplicación. Sin embargo, durante los períodos de hambruna, forma esporas que esperan tiempos mejores. Estas esporas, cada una de las cuales transporta la mitad del material genético de la célula madre, se presentan en dos tipos de apareamiento, a y α, más o menos análogos a los sexos masculino y femenino. Cuando las condiciones mejoran, tanto las esporas a como las α secretan señales odoríferas químicas llamadas feromonas, para cortejarse entre sí; Luego, dos células de sexos opuestos se fusionan para formar una única descendencia completa.
Así como la humanidad está compuesta por diferentes poblaciones, la levadura de panadería tiene miles de cepas. En la naturaleza, las esporas producidas por cada célula de levadura se forman dentro de un saco separado, y la reproducción sexual casi siempre ocurre entre hermanos dentro de ese saco. Como resultado, el apareamiento entre diferentes cepas es relativamente raro. Sin embargo, estos emparejamientos ocurren ocasionalmente y son particularmente interesantes porque pueden revelar cómo se heredan los rasgos y si estos organismos antiguos muestran preferencias al elegir una pareja.
En el estudio, dirigido por el Dr. Sivan Kaminski Strauss bajo la supervisión de Pilpel y la Dra. Orna Dahan, los investigadores organizaron el evento de apareamiento masivo entre esporas de aproximadamente 100 cepas de levadura colocándolas juntas en un solo tubo de ensayo durante 20 horas. Se introdujeron miles de copias de cada cepa, de modo que cada cepa tuviera amplias oportunidades de aparearse con otras, lo que permitió a los científicos contar exactamente cuántas veces cada cepa eligió a otra cepa particular como compañera.
“Insertamos un código de barras de identificación en el código genético de cada cepa parental”, explica Dahan. “También introdujimos un mecanismo que se activa sólo en la descendencia, asegurando que los códigos de barras de ambos padres se vinculen en una sola secuencia. Esto nos permitió determinar, al final del experimento, quiénes eran los padres de cada descendencia y con qué frecuencia cada padre se apareaba con cada pareja potencial”.
Los investigadores se sorprendieron al descubrir que algunas cepas de levadura evitaban sistemáticamente aparearse entre sí. Al comparar pares de cepas que produjeron mucha descendencia con aquellas que produjeron menos, el equipo identificó diferencias que no podían explicarse simplemente por el grado de actividad sexual de cada cepa. Por lo tanto, los resultados sugieren que las levaduras exhiben preferencias de apareamiento específicas.
El experimento se llevó a cabo bajo dos condiciones ambientales principales: una con una fuente de alimento preferida por la mayoría de las cepas de levadura y otra con una fuente de alimento que la mayoría de las cepas encuentran mucho más difícil de digerir. Cuando se disponía de alimentos de alta calidad, la levadura tendía a elegir parejas que produjeran descendencia más en forma.
“Este descubrimiento nos acerca a responder una pregunta fundamental en la evolución: ¿Es la capacidad de elegir pareja una parte integral de la reproducción sexual, o es un refinamiento que evolucionó más tarde?” dice Pilpel. “Por un lado, la reproducción sexual, a diferencia de la autorreplicación, puede haberse preservado simplemente porque crea diversidad genética. Por otro lado, la capacidad de seleccionar una pareja que mejore la descendencia podría ser el verdadero punto. El hecho de que tales preferencias existan en la levadura sugiere que se trata de un mecanismo antiguo y fundamental”.
“Para resolver esta cuestión, ahora estamos probando si es posible silenciar los genes responsables de las preferencias de apareamiento en la levadura sin eliminar por completo la reproducción sexual, o si los dos son inseparables. Otra pregunta abierta es cómo una cepa de levadura identifica a la pareja adecuada. Una posibilidad es que las feromonas de cada cepa contengan características químicas únicas que revelen información sobre rasgos importantes”.
La receta para una descendencia exitosa
El experimento de reproducción de levaduras también brindó una oportunidad única para examinar cómo el “éxito en la vida” se transmite de padres a hijos. Para los biólogos evolutivos, el éxito significa principalmente aptitud, término que describe la capacidad de un organismo para crecer y reproducirse.
La aptitud física es un rasgo cuantitativo complejo: varía en una variedad de niveles y está influenciada por muchos genes, así como por las condiciones ambientales. Debido a que el tiempo de generación de la levadura es de menos de dos horas, la aptitud se puede medir rápida y fácilmente mediante competencias de crecimiento en el laboratorio. Para rastrear la herencia de la aptitud, los investigadores llevaron a cabo competencias de crecimiento tanto entre las cepas parentales como entre sus descendientes.
“Cuando el alimento preferido estaba disponible, cuanto más en forma estaba cada padre, más en forma tendía a estar la descendencia”, dice Kaminski Strauss. “En ausencia de un alimento preferido, lo que importaba era la diferencia genética entre los padres. La aptitud de la descendencia aumentaba a medida que crecía la distancia genética entre los padres, hasta un punto óptimo, más allá del cual declinaba”.
Luego, los investigadores desarrollaron un modelo estadístico que predice, basándose en rasgos de los padres como la aptitud y la distancia genética, la aptitud de la futura descendencia en diferentes condiciones ambientales.
El estudio marca un hito importante en el desarrollo de la genética cuantitativa, un campo que combina métodos genéticos y estadísticos para investigar rasgos complejos y cómo se heredan. También puede sentar las bases para estudiar las preferencias de pareja en humanos.
“Aunque es imposible realizar un experimento de apareamiento masivo con personas, podemos simularlo utilizando métodos genéticos cuantitativos y bases de datos que contienen información genética de miles de individuos”, dice Pilpel. “En un estudio de seguimiento dirigido por el estudiante de investigación Bar Cohen, estamos calculando cómo se vería el genoma humano si las personas eligieran parejas completamente al azar. Luego intentamos identificar regiones del genoma que se desvían fuertemente de ese modelo aleatorio. Estas regiones pueden contener genes que influyen en la elección de pareja”.
También participaron en el estudio: Ruthie Golomb, Donya Khoury, la Dra. Noa Aharon-Hefetz y Hadar Meyer del Departamento de Genética Molecular de Weizmann; Dr. Dayag Sheykhkarimli de la Universidad de Toronto; y el Prof. Gianni Liti de la Universidad Costa Azul, Niza, Francia.
A una célula de levadura que detecta feromonas del tipo de apareamiento opuesto le crece una protuberancia hacia la señal, un proceso conocido como “shmooing”. Cuando las protuberancias de dos células se tocan, se fusionan en una sola célula que contiene el material genético de ambas.
El profesor Yitzhak Pilpel es director del Centro Braginsky para la interfaz entre ciencia y humanidades y del Centro de investigación de biología de sistemas de la célula humana de la familia Kahn. Su investigación cuenta con el apoyo del Laboratorio Sharon Zuckerman de Investigación en Biología de Sistemas. El Prof. Pilpel es el titular de la Cátedra Profesoral Ben May.
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