Moléculas ancestrales: Reloj molecular usado como “máquina del tiempo”

Este pasado mes de agosto alcanzó bastante notoriedad en las páginas de divulgación científica un estudio liderado por científicos de la Universidad de Granada sobre la estructura comparada de un tipo de proteína denominada tiorredoxina, que se halla presente en casi todas las formas de vida, desde las bacterias más simples, hasta el ser humano. Tanto en inglés como en castellano, muchos de los artículos incluían en su título la expresión “proteína resucitada“.

No voy a negar que lo imposible del título estimuló mi interés por la noticia. ¿Cómo resucitar aquello que no tiene vida? Porque ya sabes, estoy seguro, que aunque los seres vivos estén formados por determinadas moléculas, entre ellas, proteínas, éstas como tal,  no están vivas.

Naturalmente aquella expresión era un juego de palabras con un fin publicitario.

El objetivo del estudio era deducir la estructura de una proteína tiorredoxina del pasado que ya no existe  a partir de ejemplos de tiorredoxinas presentes en seres vivos actuales y fabricarla “a ver qué pasaba” (resucitarla suena muchos más impactante, desde luego). El planteamiento evoca una especie de “Parque Jurásico molecular”, pero en este caso no hay nada de fantasioso.

Las tiorredoxinas son un grupo de proteínas que han sido ampliamente estudiadas en numerosas formas de vida. Su ubicuidad entre los seres vivos se corresponde con su importancia. La tiorredoxina es una enzima que interviene en reacciones redox en las que está implicado el azufre, un componente esencial de algunos aminoácidos, como la cisteína. Así pues, lo primero que hicieron los miembros del equipo de la Universidasd de Granada fue reunir datos existentes sobre la composición (secuencia de aminoácidos) y estrucutra precisa de las tiorredoxinas de todo tipo de formas de vida, desde bacterias hasta el ser humano.

Las tiorredoxinas de todos los seres vivos se parecen en algunos detalles  (de hecho, todas intervienen en reacciones químicas del mismo tipo); pero no son iguales, y son precisamente estas diferencias las que interesaban a los científicos.

Estructura molecular de la tiorredoxina de una bacteria y humana. Observa que, aunque ambas tienen un aspecto general muy parecido, no son exactamente iguales.

Estructura molecular de la tiorredoxina de la bacteria Escherichia coli y la humana. Observa que, aunque ambas tienen un aspecto general muy parecido, no son exactamente iguales.

Estas diferencias sólo se comprenden a la luz de los conceptos de evolución y mutación. A lo largo de las generaciones, los genes que tienen la información para fabricar la tiorredoxina se han ido heredando de padres a hijos, pero cada cierto tiempo se produce alguna alteración fortuita en los genes (mutación) que provocará que la proteína sea ligeramente diferente a la versión anterior.

Las mutaciones que tengan lugar en una estirpe de descendencia no tienen por qué ser las mismas que en otra. Por tanto, en cada línea de descendencia los genes y , por tanto, las proteínas correspondientes pueden seguir su propia historia de cambios, de forma que, al cabo de millones de años, la tiorredoxina producida puede ser bastante diferente de la “original” y a su vez bastante diferente de la de otros seres vivos que han seguido su propia historia de cambios.

Durante algún tiempo se pensó que el ritmo al que suceden las mutaciones (cambios aleatorios en los genes) es constante en todos los genes y en todas las especies para una época dada. Esto dio lugar en los años 60 al concepto de reloj molecular basándose en dos sencillas ideas:

1. El número de diferencias entre dos genes equivalentes de dos especies diferentes nos permite conocer el número de cambios que han tenido lugar desde que las líneas evolutivas que conducen a cada una de las especies se separaron.

2. Multiplicando el ritmo al que se producen dichos cambios por el número de cambios detectados podremos calcular el tiempo que hace que ambas especies tuvieron un antepasado común y sus historias comenzaron a seguir caminos independientes.

De esta forma la divergencia molecular entre moléculas equivalentes en especies diferentes se convierte en una forma de medir el tiempo desde la perspectiva evolutiva. Para entender mejor el fundamento del concepto de reloj molecular y de las técnicas de análisis comparado de moléculas puede ver el siguiente dibujo esquemático.

Técnicas de análisis filogenético y reloj molecular.  Imagina que las tres líneas de bolitas coloreadas son los genes en tres especies diferentes (A, B y C) d euna misma proteína equivalente. Las bolitas de cada cadena representan los componentes (nucleótidos) de esos genes. Observa que los genes de las especies B y C sólo presentan una diferencia, en tanto A con respecto a B y C presenta tres diferentcias. La menor divergencia entre B y C se interpreta como que el antepasado común entre ambas especies está más cercano en el tiempo y, por tanto, han tenido menos tiempo para diverger. Si se puede establecer el ritmo al que se producen estos cambios se podrá, además, calcular cuánto tiempo aproximado hace que se produjo la divergencia de ambas líneas evolutivas.

Técnicas de análisis filogenético y reloj molecular. Imagina que las tres líneas de bolitas coloreadas son los genes en tres especies diferentes (A, B y C) de proteínas equivalentes. Las bolitas de cada cadena representan los componentes (nucleótidos) de esos genes. Observa que los genes de las especies B y C sólo presentan una diferencia, en tanto el gen de la especie A con respecto a B y C presenta tres diferentcias. La menor divergencia entre B y C se interpreta como que el antepasado común entre ambas especies está más cercano en el tiempo y, por tanto, han tenido menos tiempo para diverger. Si se puede establecer el ritmo al que se producen estos cambios se podrá, además, calcular cuánto tiempo aproximado hace que se produjo la separación de ambas líneas evolutivas.

Con el tiempo se ha podido determinar que el ritmo al que se producen los cambios en los genes no es tan constante como se creía, así que el cálculo de periodos de tiempo mediante la técnica de reloj molecular no es tan sencillo ni preciso como prometía. Sin embargo, la idea central sigue siendo válida: Cuanto mayores sean las diferencias  entre moléculas equivalentes (en este caso tiorredoxina) de especies diferentes,  más alejado en el tiempo puede suponerse que estará su último antepasado común.

Ya puedes imaginarte que la técnica es muy útil para construir árboles evolutivos que muestran los parentescos entre formas de vida diferentes… pero podemos dar un paso más: Si, comparando muchos ejemplos actuales y construyendo ese árbol evolutivo, somos capaces de trazar las rutas de cambios que se han ido produciendo a lo largo de la evolución en un determinado tipo de molécula, podemos ser capaces de deducir cómo sería la molécula ancestral, presente en el antepasado común a todas las formas de vida analizadas (en el caso de este estudio, algo así como la tiorredoxina “tatara…tatarabuela” de todas las tiorredoxinas actuales).

Si no terminas de verlo claro te propongo el siguiente ejemplo: Imagina que se ha producido una gran concentración de personas (un concierto de un grupo de rock,  por ejemplo). La actividad ya ha terminado y cada cual ha tomado su camino de vuelta. En un momento dado ( el mismo para todos) estudiamos dónde se encuentra cada persona y qué dirección lleva. Pues bien, trazando todas las posible rutas que han seguido todas esas personas seremos capaces de calcular un punto probable del que partieron todas ellas, es decir, la zona del concierto.

Se trata, desde luego, de una deducción probabilística y no de una certeza, pero los autores del trabajo llegaron aún más lejos: Evidentemente, la supuesta tiorredoxina ancestral no existe actualmente, pero si deducimos su estructura sobre el papel, este diseño puede llevarse a la realidad con las técnicas moleculares actuales. Y esto fue precisamente lo que hicieron: fabricar una molécula real a partir de las deducciones que ellos hicieron.

La molécula “resucitada” fabricada de este modo podría haber sido poco más que un capricho inservible de átomos unidos, pero el caso es que lo que obtuvieron fue una tiorredoxina totalmente funcional que además era hiperresistente a altas temperaturas y a ambientes ácidos. Por tanto, los autores del trabajo proponen haber fabricado una tiorredoxina similar a las primeras tiorredoxinas de la historia de  la vida hace unos 4.000 millones de años.

En suma, los autores emplearon las técnicas de análisis evolutivo de la divergencia molecular  y el concepto de reloj molecular, como si fueran una máquina del tiempo; no tanto para viajar hasta el pasado sino para traernos el pasado más remoto de la vida hasta nosotros. Los autores exponen la funcionalidad de la proteína y el hecho de que parezca adaptada a las duras condiciones de la Tierra primitiva como argumentos a favor de la validez e interés del estudio.

No todos los científicos están de acuerdo con el significado real de los resultados que se obtienen con este tipo de técnicas comparativas de tipo estadístico y algunos creen que el propio diseño de la técnica fuerza artificiosamente resultados que sean funcionales. En cualquier caso, es una alternativa metodólógica muy interesante para acercarse a los orígenes moleculares de la vida.

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