En el mundo de los microbios, la cooperación florece

Dependiendo de las condiciones externas, el microbio Myxococcus xanthus puede tomar una forma competitiva (amarilla) y una cooperativa (verde)

A pesar de la estructura unicelular, los microbios son capaces de cooperar sorprendentemente entre sí. Pueden secretar polímeros que les permiten unirse y formar biopelículas para protegerse de los antibióticos y otros venenos. Pueden producir grandes cantidades de lubricante que permiten que las colonias crezcan en superficies blandas, e incluso producen moléculas que buscan hierro para vivir en condiciones de deficiencia de hierro, como los humanos.

Esta diversidad de comportamiento plantea la cuestión de la evolución: ¿cómo puede florecer la cooperación en un entorno tan egoísta impulsado por la selección natural? "El problema clásico es que cualquier tipo de cooperación será costosa para las personas", dice Michael Desai , un físico que ha cruzado a biólogos evolutivos microbianos en la Universidad de Harvard. "El misterio es cómo esta situación podría haber surgido como resultado de la evolución".

La cooperación, por definición, el comportamiento que beneficia a otra persona, puede ser, por ejemplo, la provisión de alimentos o protección, y generalmente es costoso para el donante. Especialmente en organismos tan rápidamente mutantes como los microbios, que regularmente aparecen nuevos métodos de engaño, capaces de proporcionar cooperadores.


La levadura, capaz de engañar y cooperar, permitió a los científicos estudiar la evolución de la cooperación en microbios.

Según el modelo más simple de selección natural, en una población perfectamente mixta de cooperadores y engañadores, estos últimos generalmente ganan. Pero los cálculos teóricos y los experimentos con microbios y otros organismos mostraron que la cooperación puede desarrollarse bajo ciertas condiciones. Los grupos de personas conectadas que trabajan juntas pueden superar a los engañadores, lo que explica que una miríada de organismos (microbios, insectos e incluso humanos) pueden sobrevivir a través de la cooperación.

Dos estudios publicados han descubierto una nueva fuerza que puede ayudar a los cooperadores a prosperar: expandir los límites de la población. Ambos estudios trabajaron con levadura, pero los científicos sostienen que los descubrimientos también pueden ser transferibles a otras especies de seres vivos, incluidos los humanos. "No se sabe cuán extendido está este mecanismo, pero parece bastante posible que esté bastante extendido", dice Desai.

Una mejor comprensión de las condiciones bajo las cuales está surgiendo la cooperación microbiana puede ayudar en la investigación en salud. Muchos microbios que infectan a los humanos se conocen conjuntamente como biopelículas, y las nuevas estrategias para prevenir la formación de biopelículas pueden convertirse en alternativas a los antibióticos, que pueden desarrollar resistencia en los microbios. Los descubrimientos también pueden arrojar luz sobre la evolución de los organismos multicelulares que surgen de conjuntos de células que actúan conjuntamente, así como el cáncer, que puede verse como un conjunto de células engañosas que atacan las células sanas y cooperantes de nuestros cuerpos.

Nuevo territorio

La mayor parte del trabajo teórico sobre la evolución de la cooperación se concentra en poblaciones estáticas, que viven en un lugar o mantienen un volumen constante.


Con la falta de alimentos, miles de Myxococcus xanthus individuales cooperan y crean una formación productora de esporas.

Los científicos saben desde hace tiempo que las convenciones espaciales de una población estática pueden provocar microbios al altruismo. Aunque los engañadores ganan en grupos de microbios altamente heterogéneos, los bultos de microbios colaboradores pueden superar en tamaño a los bultos de los engañadores. Dos teorías populares y algo superpuestas sobre la evolución de la cooperación incluyen la elección de parientes, según la cual la generosidad hacia los miembros de la familia ayuda a uno de los genes a sobrevivir, y la elección de un grupo según el cual un grupo de microbios cooperantes tiene más éxito que los microbios individuales. "Los beneficios de la colaboración no son disfrutados por todos en la población, sino solo aquellos que están cerca o genéticamente similares", dice Desai.

Pero la mayoría de las especies no viven en condiciones estáticas; constantemente experimentan cambios en cantidad y cambian su hábitat. Los cambios, por ejemplo, pueden desencadenar el calentamiento global y los ciclos geológicos, como la edad de hielo.

Un nuevo conjunto de estudios sugiere que la expansión de la población puede afectar seriamente la dinámica evolutiva. En una población en crecimiento, los efectos del azar, referidos con mayor precisión en la teoría de la evolución por deriva genética, pueden llegar a ser más influyentes que la selección natural. Como resultado, se puede reducir el número de grupos prósperos de microbios colaboradores.


Cuando dos cepas de microbios (verde y rojo) se expanden a un nuevo territorio, la cepa probablemente crecerá en la frontera. El resultado es un patrón de "plato giratorio", como en la foto

En un experimento de 2007, la influencia de la expansión se demostró visualmente. Oskar Hallatschek, biofísico de la Universidad de California en Berkeley, comenzó con una gota de dos cepas de microbios bien mezcladas teñidas con tintes fluorescentes de dos colores. A medida que ambas cepas crecen al mismo ritmo, el modelo de población estática predice que su concentración no cambiará con el tiempo; la proporción inicial de 50:50 permanecerá. Pero los resultados fueron completamente diferentes. Los microbios, habiendo comenzado a compartir y extenderse sobre la placa de Petri, se separaron rápidamente unos de otros y organizaron un patrón de "hilandero" con diferentes secciones de ciertos colores. "Este es un efecto muy poderoso que es muy difícil de evitar", dice Halachek.

Los descubrimientos fueron una ilustración sorprendente de un fenómeno como el surf genético, teóricamente predicho varios años antes. (Hay muchos físicos entre los investigadores que se sienten atraídos, entre otras cosas, por el potencial de modelar y probar teorías evolutivas). En grandes poblaciones estáticas, la probabilidad de fijar nuevas mutaciones neutrales (sin afectar la idoneidad para la evolución) es extremadamente baja. Pero de acuerdo con el modelo de navegación, la probabilidad de propagación de mutaciones que se producen en el límite de una población en crecimiento es mucho mayor (parecen montar una ola de expansión) y se vuelven más fuertes, porque en ese lugar se reproduce una pequeña cantidad de células. En un artículo de 2007, Halachek y sus colegas explicaron cómo la deriva genética puede alimentar tanto la navegación genética como la aparición de un patrón giratorio. Las bacterias verdes se dividen y crean más colonias verdes, razón por la cual crece una cuña verde. "En el caso de una colonia en expansión, se trata de la ubicación", dice Halachek. "Incluso si eres un mutante perfecto, necesitas estar en ese mismo límite para prosperar, o no tendrás ninguna posibilidad".

Los experimentos de Halachik proporcionaron la primera evidencia directa de que "el surf puede cambiar drásticamente la diversidad de genes neutros en una gran población natural", dice Lauren Eskoffier , especialista no investigadora en genética de poblaciones de la Universidad de Berna en Suiza.

El descubrimiento no solo muestra un vívido contraste entre las poblaciones estáticas y en expansión, sino también el importante papel desempeñado en la evolución del azar al ocurrir en condiciones adecuadas. "Se trata de multiplicar la importancia de la aleatoriedad", dice Kevin Foster , un biólogo evolutivo de la Universidad de Oxford que no está involucrado en este trabajo. "Esto significa que algunas propiedades, incluso no preferibles para la evolución, pueden volverse muy comunes solo por accidente".

El trabajo de Halchek "en realidad inspiró mucha investigación para comprender cómo funcionan la selección natural y la expansión de la población y cómo dejan huellas genéticas", dice Desai. - Nuestro trabajo continúa este tema. Pensamos en la genética de una población en crecimiento y nos dimos cuenta de que conduce a la cooperación ”.

Poco trabajo en equipo

Foster y sus colegas sugirieron que la expansión podría ser otra fuerza que impulsa la cooperación a través del modelado computacional detallado de microbios en 2010. El modelo confirmó los descubrimientos de Halachek y los llevó un paso más allá, sugiriendo que expandir los límites de la población crea condiciones óptimas para la cooperación de los organismos.


En una población mixta de microbios colaboradores (rojo) y microbios engañosos (verde), los cooperadores finalmente ganan

Recientemente, dos grupos de científicos han demostrado este efecto en microbios reales, destacando las condiciones especiales debido a las cuales podría evolucionar el altruismo. Para estudiar la cooperación en levadura, los investigadores utilizaron dos especies: cooperadores que secretan una enzima que descompone la sacarosa antes del alimento favorito de los microbios, la glucosa y los engañadores que no sabían cómo hacerlo. Casi todos los alimentos producidos por los cooperadores fueron liberados en el medio ambiente, donde tanto los cooperadores como los engañadores podían deleitarse.

En un experimento Desai publicado en Current Biology , se colocó una gota de líquido que contenía ambos tipos de levadura en una placa de Petri. A medida que los microbios se dividen y se expanden en un espacio desocupado, la frontera de la población fue ocupada al azar por engañadores o cooperadores. Esto condujo al "efecto fundador", con grupos de microbios que viven en la frontera y que están estrechamente relacionados. "Quien fue el primero en migrar antes que los demás tuvo más descendencia", dice Desai.

Como regla general, la población de levaduras colaboradoras creció más rápido que la población de engañadores individualistas, ya que los cooperadores generalmente crecieron más rápido en nuevos territorios. "Ganan en la frontera de la población y, como resultado, toda la frontera está ocupada por cooperadores", dice Desai. "La expansión espacial de una población puede mejorar dramáticamente las posibilidades de una evolución exitosa de la cooperación".

Los microbios Desai podrían crecer en dos dimensiones, pero algunos casos de expansión son unidimensionales, por ejemplo, las aves que se mueven a lo largo de una cadena de islas. El físico del MIT Jeff Gore y sus colegas analizaron un caso unidimensional al cultivar una mezcla de gérmenes cooperantes y trampas en tubos delgados llenos de líquido. Movieron manualmente los microbios, transfiriendo diariamente parte del líquido a un nuevo tubo. A diferencia de los microbios Desai que pueden sobrevivir sin cooperación, los tramposos de Goura necesitaban cooperadores para la alimentación y la supervivencia, y penetraron en una población creciente de cooperadores.


Jeff Gour

Los investigadores compararon la tasa de expansión de los cooperadores en la frontera con la tasa de reproducción de los engañadores detrás. Para que los cooperadores tuvieran éxito, necesitaban expandirse más rápido de lo que los engañadores los atacaron. Un artículo publicado en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias muestra que en condiciones difíciles, en una población mixta, los cooperadores se propagan y los engañadores mueren. Sin embargo, si tanto los cooperadores como los engañadores se desarrollan en un espacio vacío, los cooperadores superan a los engañadores solo en condiciones leves, pero no duras. (La tasa de migración se calcula midiendo la densidad de población de cada tubo que crece con el tiempo). "Es sorprendente cómo la expansión espacial prefiere la cooperación: se apoderan de nuevos territorios más rápido de lo que los embaucadores pueden hacerse cargo", dice Gour.

Los cooperadores tienen acceso preferencial a los frutos de sus labores, ya que algunas de las enzimas secretadas por ellos se atascan en sus propias paredes celulares. Esto es importante a bajas densidades celulares, porque "en estas condiciones, las células carecen de azúcar", dice Gour. "Para que los cooperadores puedan engullir un poco de azúcar total antes de que se disuelva".

Foster dice que la expansión espacial es quizás un requisito previo para la cooperación microbiana. "Es muy simple, muy probablemente universal, y explica uno de los descubrimientos más importantes relacionados con los microbios", dice.

Además de los gérmenes.

Por supuesto, los microbios no son los únicos organismos que expanden la población o muestran cooperación. En principio, los mismos factores que juegan un papel para la levadura pueden aplicarse a organismos superiores, aunque los científicos advierten con cautela que todavía no hay evidencia de esto.

"Queda por entender cuán extendido es este efecto en la naturaleza", dice Desai. Muchas especies expanden sus territorios, ya sea por temporada o a largo plazo. ¿La migración de personas de África hace decenas de miles de años dio lugar a preferencias a favor de la cooperación?

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Expansión de personas

Una población en expansión tiene un rasgo genético característico, y dicho rasgo se ha encontrado en humanos. Pero el problema es que este rasgo es similar al que permanece como resultado de la selección natural. La gente podría emigrar de África "sin razón aparente, tal vez simplemente porque era posible, pero no necesariamente por algún tipo de presión de la cría", dice Lauren Excofier, genetista de la Universidad de Berna. Estos descubrimientos sugieren que solo se debe a un aumento en la frecuencia de mutación que no se puede concluir que esto ocurre bajo la influencia de la selección natural. "En un conjunto de experimentos, están tratando de desarrollar métodos para separar estos efectos neutrales del azar y la selección real", dice Oscar Halachek.

Excopier y sus colegas trataron de estudiar los efectos de aumentar el área de habitación humana mediante el análisis de los patrones de migración de los canadienses francófonos en los siglos XIX y XX. Gracias a los registros genealógicos detallados, los investigadores pudieron determinar quién y cuándo cambió su lugar de residencia. Según los resultados publicados en 2011 en la revista Science, las mujeres en la frontera del área de residencia tenían un 15% más de hijos que otras. "Las personas en la cresta de la ola de propagación dejaron más genes en la población que aquellos en el medio", dice Excofier. "Por lo tanto, las personas y las bacterias son algo similares: los individuos en el límite de sus hábitats tienen más probabilidades de influir en el acervo genético de las generaciones futuras".

Los registros mostraron que las mujeres fronterizas se casaron un año antes, lo que les permitió tener más hijos. Y aunque las razones exactas para esto no están claras, Exoffier cree que los matrimonios tempranos surgen debido a la menor competencia en la frontera. "Eran agricultores, tenían más recursos que aquellos que permanecían en el centro de la población, donde ya se habían tomado todos los buenos lugares", dice, por lo que era más fácil para los hombres proporcionar esposas.

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"No conozco la evidencia de que expandir el área de influencia afecta el estilo de trabajo cooperativo de las poblaciones humanas, pero ambos estudios indican que, en principio, puede funcionar en beneficio del comportamiento cooperativo", dice Gour.

Foster es más escéptico sobre cuánta expansión afecta la cooperación. "Podría haber sucedido a mayor escala, pero no estoy seguro de que la expansión de la población de alguna manera promueva la cooperación en organismos no microbianos", dice. Los insectos sociales, otro grupo de organismos que exhiben una amplia gama de ejemplos de comportamiento cooperativo, "hacen las cosas de manera completamente diferente", dice. "Con el crecimiento de la colonia, no muestran expansión espacial o segregación genética".

Comprender la cooperación microbiana puede ser importante por otras razones, dice Joao Xavier , biólogo computacional en el Centro de Investigación Arch. Sloane Kettering en Nueva York. Por ejemplo, la dinámica de la expansión espacial podría explicar cómo los tumores densos adquieren la capacidad de propagarse a través de metástasis.

En cierto sentido, las células cancerosas actúan como tramposos en un cuerpo cooperativo. Pero los cánceres más exitosos también trabajan juntos. Las células que atraen los vasos sanguíneos hacia el tumor "se benefician a sí mismas y a sus vecinos", dijo Xavier, un ingeniero químico al comienzo de su carrera que estudiaba cómo las colonias bacterianas se pueden usar para purificar el agua. "Esta es una propiedad cooperativa". Xavier, Foster y sus colegas ya han demostrado en simulaciones que la dinámica presente en los microbios también se puede aplicar a las células cancerosas.

Foster dice que su equipo está comenzando a estudiar colonias microbianas más complejas. La mayoría de los estudios de laboratorio se limitan a una o dos cepas, pero en nuestra piel, o por ejemplo en el intestino, cientos o incluso miles de especies pueden vivir, jugando, como los científicos han aprendido, un papel central en la salud humana."Los microbios se enfrentan no solo con sus compañeros estafadores, sino con una gran cantidad de otras bacterias y virus", dice Foster. "Si queremos manipular o cambiar la comunidad microbiana en el intestino o en el sitio de la infección, necesitamos entender cómo interactúan para entender cómo responderán".

Un conjunto creciente de artículos científicos sobre expansión espacial lleva a preguntas más sombrías: ¿qué sucede cuando no hay ningún lugar para crecer? La respuesta depende de las circunstancias. Si se agotan los recursos, toda la población muere. Si hay suficientes recursos, pero no hay donde expandirse, entonces las tensiones fraudulentas comienzan a ganar. "Cuando una población termina de expandirse, los fenotipos cooperativos pueden desaparecer porque su mecanismo depende completamente de la expansión", dice Desai.

Por otro lado, las poblaciones rara vez se estabilizan por completo. "En las poblaciones naturales, la cooperación se apoya debido a los frecuentes casos de expansión", dice Kirill Korolev , físico de la Universidad de Boston, un colega de Gour. "Quizás se producen periódicamente grandes choques, como incendios forestales, después de los cuales las poblaciones se recuperan lentamente".