Post 9: El espacio de secuencia 🚀

La vida ha encontrado en la biodiversidad una buena estrategia para seguir en movimiento.

Hace ~4000 millones de años, muchas familias de proteínas surgieron en una Tierra muy ajetreada. En un universo de proteínas, cada conjunto de especies (linaje evolutivo) puede verse como una galaxia. Así como las galaxias del universo físico se van alejando entre sí en el espacio-tiempo, las proteínas de las especies van evolucionando en un espacio similar llamado “paisaje adaptativo”; creando el concepto “Espacio de secuencia” que indica todas las posibles combinaciones de aminoácidos de una proteína. Para una proteína común de 300 aminoácidos, resulta en más combinaciones posibles que átomos en el universo (~10^82) (F1).

Usando este enfoque de galaxias, Inna y Fyodor encontraron que incluso las proteínas presentes en el último ancestro en común (LUCA) continúan divergiendo, indicando una expansión lineal del espacio de secuencia. Contrario a la expansión exponencial del universo físico. Aún más interesante, en cualquier momento, ~98% de los aminoácidos de una proteína no pueden mutar así como así, necesitan de otras mutaciones previas (o compensatorias) para poder mutar, y solo bajo esa(s) combinación(es) especifica(s) de mutaciones, los aminoácidos de una proteína pueden mutar. Esto implica que los aminoácidos conservados son así porque no ha pasado el suficiente tiempo para que aparezca la combinación de mutaciones especificas que les permiten mutar (F1)

Aún no sabemos que causa la expansión del universo físico, pero en el caso de las proteínas, conocemos varias “fuerzas evolutivas” que tienen como base a la selección natural, y en conjunto, son las responsables de retroalimentar la dinámica de los sistemas de información genética. Dichas fuerzas trabajan desde escala atómica hasta ecosistémica, así como en cortos y largos periodos de tiempo (F2). Para saber cuántas proteínas y familias existen actualmente, el equipo de Luis realizo un estudio masivo de proteínas de procariontes. Encontraron un total de ~302 millones de proteínas que representan a ~32 millones de familias en las que las fuerzas evolutivas operan de distinta forma. De hecho, la gran mayoría de las familias son raras y de baja abundancia. La más grande apenas contiene ~74 mil genes. De los 14 hábitats que analizaron, encontraron que algunos como los intestinales, parece que ya casi no encontraremos nuevas proteínas, mientras que los marinos y los de sedimentos son la fuente de muchos genes y además faltan muchísimas nuevas proteínas por descubrir pues aún no se ha “apladanado su curva”.

Lamentablemente, debido al cambio climático muchas de las especies y sus proteínas están en extinción y jamás lograremos registrarlas. La variación genética tiene influencias tanto en la salud humana como de ecosistemas en al menos en 18 grandes formas. Para intentar restaurar ecosistemas a veces posible usar especies clave y autócotonas como animales o ciertas plantas, pero en casos más delicados/complejos como los arrecifes de coral, es necesario incluso un detalle a nivel de microrganismos que se introducen y las proteínas que portan. Para ello hay que tener un entendimiento de cómo funciona la variación genética introducida. Actualmente se están dando los primeros pasos para manipular microrganismos dentro de su hábitat (in situ) con CRISPR/Cas, pero ciertamente, al hacer este tipo de procedimientos, es necesario considerar la capacidad de evolución de todo el sistema y sus componentes, en lo que actualmente se conoce como “ingeniería evolutiva”.

Me gustaría decir que se necesitan muchos biólogos en el futuro, pero casi apuesto a que nos va a cargar la @$# por nuestra forma de consumo y el futuro será (ya es) bien cyberpunk … F.

(Artículos en el primer comentario)

REfs:

1. Natural Selection and the Concept of a Protein Space
2. Sequence space and the ongoing expansion of the protein universe
3. Equipo de Luis y los millones de proteínas; Towards the biogeography of prokaryotic genes
4. Fuerzas evolutivas; Evolution in the light of fitness landscape
5. Super recomendado por las mamás de los doctores. La importancia de la variación genética en nuestras vidas ; The importance of genomic variation for biodiversity, ecosystems and people
6. Manipulación de microbios in situ con CRISPR/Cas; Species- and site-specific genome editing in complex bacterial communities
7. Ingeniería evolutiva; Towards an engineering theory of evolution