Os seres humanos têm realizado involuntariamente experimentos de evolução por milênios através da domesticação de plantas, animais e fungos. Começando com os experimentos seminais de William Dallinger no final do século 19 século, tais experimentos foram realizados em condições controladas de laboratório para melhor compreender os processos e restrições da evolução.
Experimentos evolutivos geralmente envolvem a imposição de uma pressão seletiva bem definida (como temperatura extrema, nutrientes limitados ou a presença de um composto tóxico) em um organismo e, em seguida, estudar como ele se adapta a essas novas condições. O experimento de evolução controlada de mais longa duração foi iniciado em 1998 por Richard Lenski e continua até hoje, envolvendo mais de 60.000 gerações da bactéria Escherichia coli.

Embora esses experimentos tenham fornecido informações fundamentais sobre processos evolutivos como adaptação, seleção e mutação, está claro que a evolução natural ocorre sob restrições muito mais complexas. Um novo estudo publicado em Genome Biology and Evolution lança nova luz sobre a maneira pela qual a evolução do laboratório pode diferir do que ocorre na natureza.

De acordo com a coautora Ruth Hershberg, professora associada do Technion-Israel Institute of Technology, seus "resultados mostram que a adaptação em laboratório, que ocorre em resposta a pressões bastante simples e fortes, pode ocorrer frequentemente por meio de mutações que não podem ocorrer na natureza ou são muito transitórios, se ocorrerem."

O estudo, que foi co-autor do Technion Ph.D. estudante Yasmin Cohen, procurou explicar um aparente paradoxo percebido pelos autores ao refletir sobre as mutações identificadas em seus próprios experimentos de evolução envolvendo bactérias:a saber, que as proteínas em que as mutações mais ocorrem no laboratório são as mesmas que mais mudam lentamente ao longo de longas escalas de tempo evolutivas.

Para explorar ainda mais essa observação, Cohen e Hershberg analisaram especificamente dois genes que codificam a enzima RNA polimerase core (RNAPC), que demonstraram estar envolvidos na adaptação em muitos experimentos independentes de evolução de laboratório em E. coli, a espécie mais comumente usada para esses tipos de experimentos.

Sua pesquisa de literatura identificou mutações adaptativas em 140 posições de aminoácidos nessas proteínas em resposta a 12 condições laboratoriais diferentes, incluindo exposição a antibióticos, exaustão prolongada de recursos, crescimento em altas temperaturas e crescimento em meios de baixo teor de nutrientes (mínimo). Surpreendentemente, houve muito pouca sobreposição nesses locais adaptativos, com apenas quatro dos 140 aparecendo sob mais de uma condição.

Além disso, comparando esses locais com o restante da sequência de proteínas em linhagens bacterianas, os autores descobriram que não apenas a adaptação no laboratório ocorre por meio de mutações em proteínas altamente conservadas, mas mesmo dentro das proteínas RNAPC, os locais de aminoácidos comumente mutados em experimentos de laboratório tendiam a ser mais altamente conservadas na natureza do que outras posições dentro dessas proteínas.

Uma análise mais aprofundada identificou uma série de padrões intrigantes. As posições nas quais a adaptação ocorreu em experimentos de laboratório também tenderam a cair dentro de domínios funcionais de proteínas definidos, agrupar-se próximos uns dos outros na estrutura da proteína e localizar-se perto do sítio ativo RNAPC com mais frequência do que outros sítios.

Para ver se dinâmicas semelhantes estavam em jogo para outras proteínas, Cohen e Hershberg analisaram 19 outras proteínas contendo mutações adaptativas associadas à exaustão de recursos. Eles descobriram que, assim como as proteínas RNAPC, os locais associados à adaptação em experimentos de laboratório tendiam a ser mais altamente conservados entre as bactérias.

Ainda mais interessante, ao olhar para as quatro pressões seletivas para as quais havia dados suficientes, esses padrões eram válidos para exposição a antibióticos, mídia mínima e exaustão prolongada de recursos, mas não para crescimento em altas temperaturas. Assim, as adaptações a altas temperaturas não apresentam maior conservação, não são agrupadas próximas umas das outras ou do sítio ativo do complexo e não são enriquecidas em domínios funcionais.

Como observa Hershberg, não está claro o quão comum é essa descoberta. “Atualmente, não podemos ter certeza se as adaptações para a maioria das condições se comportam como a maioria das adaptações caracterizadas, com a alta temperatura sendo um valor atípico, ou se existem muitas condições sem dados atualmente disponíveis que se assemelham mais ao que é visto para alta temperatura”.

O que está claro é que a dinâmica da adaptação laboratorial difere muito daquela da adaptação natural. Isso ocorre porque, como explicam os autores, "em experimentos de laboratório, as bactérias geralmente são expostas a pressões seletivas relativamente simples, fortes e constantes. As pressões seletivas enfrentadas em ambientes mais naturais são provavelmente muito mais complexas, com vários fatores diferentes exercendo pressões contraditórias simultaneamente e/ou com pressões seletivas que mudam com o tempo. Adaptações do tipo que surgem tão facilmente durante a evolução do laboratório podem não ser tão facilmente permitidas em ambientes naturais... Além disso, se tais adaptações ocorrerem em resposta a um conjunto específico de condições, elas pode revelar-se altamente transitório, diminuindo rapidamente em frequência uma vez que as condições mudam."

Para explorar ainda mais essas questões, Hershberg acredita que será "importante tentar descobrir o que essas adaptações fazem no contexto em que são adaptativas e medir seus efeitos de aptidão sob várias condições ... um lugar útil para começar." É importante ressaltar que tais estudos podem fornecer novos insights sobre os mecanismos pelos quais a evolução ocorre, tanto no laboratório quanto na natureza. De acordo com Hershberg, "entender as razões para essas diferenças pode nos permitir aprender lições importantes sobre a adaptação natural". + Explorar mais

Uma abundância de mutações benéficas