Así que esto es algo que está pasando por debajo del nivel obvio, ¿verdad? No necesariamente lo notarás si estás mirando a un individuo oa una población, pero podrías notarlo si miraras generación tras generación.

Sí. Percibir esta robustez requiere que mires debajo de la superficie. Nosotros y otros hemos descubierto esto ahora en muchos sistemas diferentes. Parece ser algo bastante general que se aplica en múltiples niveles de organización. Me fascinan los principios que no se aplican solo a un organismo o un tipo de sistema, sino que pueden funcionar en múltiples niveles diferentes de organización. Y este es un candidato.

Cuando montó por primera vez su laboratorio en la Universidad de Zúrich, ¿qué hizo para seguir explorando estas ideas?

Aquí está uno de nuestros primeros experimentos: alguien había descubierto que cuando la bacteria Escherichia coli entra en el tracto intestinal humano, el medio ambiente contiene oxígeno. Pero a medida que se adentra más en el intestino, el ambiente comienza a carecer de oxígeno. E. coli necesita expresar diferentes genes dependiendo de si hay oxígeno o no.

Resulta E. coli ha desarrollado esta respuesta anticipatoria donde, tan pronto como ingresa al tracto gastrointestinal, comienza a activar los genes necesarios antes de llegar a la zona anóxica. Su previsión podría haber evolucionado a partir de los miles de millones de veces que ha pasado por el tracto intestinal: cuando se calienta o baja el pH, o lo que sea, entonces necesita activar estos genes, porque pronto se agotará. de oxígeno

Queríamos averiguar si podrías desarrollar algo así en el laboratorio. Así que ciclamos la levadura entre diferentes ambientes estresantes. Una vez que la levadura pasó por el ciclo varias veces, ¿comenzaría a activar los genes para manejar el estrés oxidativo [por demasiado oxígeno reactivo] antes de que el estrés oxidativo golpee? Encontramos alguna evidencia de que lo hicieron.

Era el tipo de experimento en el que me gusta trabajar que es muy simple en principio y que se trata de una idea fundamental: en este caso, ¿pueden incluso organismos muy simples anticipar el futuro?

¿Diría que las ideas de su primer libro, La llegada del más apto (Penguin Random House, 2015) se extrajeron de lo que había estado haciendo en el laboratorio?

Estos experimentos ciertamente informaron parte de lo que escribí en el libro. Pero no fueron realmente los experimentos los que impulsaron el libro. Fue realmente esta idea fundamental que podemos pensar en la evolución como la exploración de un espacio de genotipos. Podemos estudiar la capacidad de adaptación de los organismos entendiendo cómo está organizado el espacio. ¿Están todos los genotipos con un fenotipo en una esquina de ese espacio? ¿O están algo dispersos por el espacio? Pensé que era una idea importante, y nadie había escrito al respecto.

Entonces, la idea es que las diferentes versiones de los genes pueden afectar la aptitud evolutiva de los organismos, y esto se puede representar en términos de un paisaje de fitness. ¿Puede explicar qué es un paisaje de fitness?

A paisaje de fitness es un análogo de un paisaje físico donde cada ubicación corresponde a un genotipo: una secuencia de ADN, quizás para un solo gen. Y la elevación en ese lugar corresponde a alguna medida de calidad, por ejemplo, la aptitud o la capacidad de una enzima para catalizar una reacción o hacer otra cosa importante para el organismo.

Este es un concepto fundamental en la biología evolutiva. Pero solo hubo teoría en esa área durante cerca de 80 años. Se han publicado miles de artículos sobre cómo podrían ser estos paisajes, pero hay muy, muy poco trabajo experimental en esa área.

Eso comenzó a cambiar un poco a principios de la década de 2000. La gente empezó a crear colecciones de genotipos y estudió sus fenotipos. Estos primeros paisajes comprendían solo alrededor de 20 a 40 o más genotipos. Pequeño en comparación con estos números astronómicos de genotipos que tenemos en nuestros genomas. Y fue fascinante, pero sentí que probablemente podríamos hacerlo mejor, que podríamos crear y estudiar muchos más paisajes grandes, y tal vez abordar la gran pregunta: ¿Cómo las poblaciones en evolución encuentran los picos más altos en un paisaje así y se adaptan mejor a un entorno particular?

¿Por qué es una pregunta difícil?

Si un paisaje es suave, lo que se ha llamado un paisaje del Monte Fuji, hay un solo pico, y todas las pendientes que ascienden por ese pico son perfectamente suaves. En una población en evolución, la selección siempre impulsará a esa población cuesta arriba. Fácilmente podría encontrar ese pico más alto.

Sin embargo, si un paisaje es accidentado y tiene varios picos, tienes un problema. Quizá la mayoría de estos picos sean bajos y correspondan a genotipos de bajo fitness que se encuentran poco adaptados a su entorno. Debido a que la selección natural solo impulsará a las poblaciones hacia una mayor aptitud física, una vez que esté atrapado en un pico bajo como población, no podrá avanzar más. No puede atravesar el valle entre el pico en el que se encuentra y el siguiente pico más alto. Algunos mecanismos pueden hacer eso, pero solo se aplican, por ejemplo, a poblaciones muy grandes o poblaciones con tasas de mutación muy, muy altas.

En los cientos o miles de artículos sobre el análisis teórico del paisaje, ese problema se reconoció desde el principio. A la gente le preocupaba que los paisajes reales pudieran ser muy accidentados. Si es así, entonces la evolución nunca podría encontrar los organismos mejor adaptados. Tal vez toda la diversidad de la vida que hay fuera sea algo mucho menos adaptado de lo que podría ser. Así que esto se convirtió en un problema realmente importante.

Me interesó mucho el problema cuando tuve claro que sería posible generar miles de genotipos para estudiarlo usando CRISPR-Cas. Tenemos algunos trabajos próximos que examinan esta pregunta, pero aún se está considerando en las revistas, por lo que no puedo entrar en detalles.

Cuéntame sobre el trabajo en tu nuevo libro.

Existe un fenómeno bien estudiado tanto en las artes como en las ciencias: muchas personas altamente creativas experimentan mucha frustración y falta de éxito durante su vida, pero luego terminan siendo muy famosas más adelante. Incluso hay un término para esto que se usa para describir publicaciones científicas que no son reconocidas cuando salen por primera vez: se llaman "bellas durmientes".

Ahora, estudio la evolución, y hay un patrón algo análogo en la evolución. Ha habido muchas formas de vida que no fueron muy exitosas bajo ningún estándar cuando se originaron. No irradiaron a cientos de especies y no cubrieron grandes áreas de la superficie del planeta. Pero espere lo suficiente, y se volvieron muy exitosos.

El mejor ejemplo son los pastos. Hoy en día, los pastos son una de las familias de organismos más exitosas del planeta. Cubren enormes cantidades de territorio en la mayoría de los continentes y han desarrollado una enorme diversidad, con unas 10,000 especies muy diferentes. Varían en tamaño desde los pequeños mechones de pastos antárticos hasta los enormes bosques de bambú en Asia. Los pastos son viejos. Encontramos polen de hierba en estiércol de dinosaurio fosilizado de hace 65 millones de años. Pero lo que es bastante notable es que cuando se originaron los pastos y durante muchos millones de años a partir de entonces, se ganaban la vida a duras penas en los márgenes de la biosfera. Para que eso cambiara, tuvieron que esperar literalmente 40 millones de años para encontrar su lugar en el sol.

Vemos patrones similares en muchos organismos. Los mamíferos se originaron más de 100 millones de años antes de que tuvieran éxito por primera vez. La evolución experimentó con diferentes formas y formas de vida de los mamíferos, como volar como murciélagos o vivir en el agua como las nutrias, o vivir en los árboles, etc. Muchos de estos se originaron y se extinguieron nuevamente. Tuvieron tanto éxito que en realidad tuvieron que ser reinventados por la evolución. Eso sucedió en algunos linajes de mamíferos varias veces antes de que los mamíferos fueran realmente exitosos.

Vemos fenómenos análogos en las abejas y otros insectos. Tantas, muchas formas de vida diferentes no tuvieron mucho éxito al principio y luego tuvieron éxito.

Estoy muy interesado en los principios que se mantienen universalmente para toda la vida, independientemente de si se trata de vida humana o algo que se originó hace 4 mil millones de años. Ese fue el impulso básico para escribir el libro. El libro es realmente sobre todas estas innovaciones latentes.

Parece que hay alguna conexión entre este tipo de variación retrasada y los experimentos que estabas haciendo antes.

Fue cuando encontramos este tipo de fenómeno en el laboratorio que me interesé. tomamos E. coli y los expuso a un ambiente que contiene una gran cantidad de un antibiótico llamado ampicilina. La mayoría de ellos morirá en presencia de ese antibiótico. Pero las bacterias son extremadamente rápidas en desarrollar resistencia a los antibióticos, por lo que en unas pocas semanas, no tienen absolutamente ningún problema para sobrevivir a altas dosis.

Estábamos interesados ​​en otros rasgos que estas bacterias adquirieron como subproducto de ese proceso evolutivo. Para averiguar cuáles podrían ser, expusimos la bacteria a cientos de otros ambientes tóxicos que contenían otros antibióticos o toxinas, como metales pesados ​​o solventes. Sabíamos por trabajos anteriores que en muchos de estos entornos, las bacterias no podían sobrevivir o lo hacían muy mal.

Lo importante a tener en cuenta es que estas bacterias no habían encontrado ninguno de esos entornos antes de nuestros experimentos. Pero descubrimos que en aproximadamente 20 de estos entornos, las bacterias podrían sobrevivir bastante bien. Fue notable que, como subproducto de la evolución de una cosa, obtienes algo completamente diferente. Y no solo una cosa, sino múltiples rasgos de viabilidad.

¿Qué esperas hacer en el futuro que se relacione con esta idea?

Me acaba de contactar un microbiólogo marino al que le gustaría hacer un experimento similar en el laboratorio con plásticos. Ella es una de las pocas personas que han explorado el Gran Parche de Basura del Pacífico y probado el colonias microbianas en los plásticos. Está interesada en cómo las bacterias que evolucionan para crecer en el plástico pueden desarrollar otras habilidades como subproducto. Tuvimos un artículo sobre un tema relacionado en Naturaleza en 2012. Demostramos teóricamente que las bacterias que pueden sobrevivir con una fuente de nutrientes a menudo pueden sobrevivir con docenas de otras fuentes que nunca han encontrado en la naturaleza.

Hay muchas direcciones de investigación nuevas y diferentes a las que uno podría diversificarse a partir de ahí. Lo que espero es que la gente en biología empiece a prestar más atención a esta capacidad de los organismos para desarrollar lo que yo llamo rasgos latentes.

Cuando vemos una propiedad que ha evolucionado en un organismo, tenemos este reflejo de pensar que es un producto de la selección natural, ¿verdad? Que en algún momento, la propiedad fue útil para la supervivencia del organismo, y por eso la vemos hoy. Pero como muestran este tipo de experimentos, ese no es necesariamente el caso en absoluto.

Podría haber sido la selección para algo completamente diferente.

Exactamente. Podría ser solo un subproducto. Por lo tanto, probablemente no sea prudente adoptar siempre un punto de vista adaptacionista o seleccionista. Puede haber muchos rasgos que existen sin ninguna buena razón.

También conocemos ejemplos de la naturaleza. Hay cuevas subterráneas que han estado completamente aisladas del mundo exterior durante millones de años. Y cuando las personas entraron en esas cuevas y tomaron muestras de bacterias que nunca habían estado en contacto con la civilización humana, descubrieron que estas bacterias eran resistentes a múltiples antibióticos. Y algunos de estos antibióticos no son moléculas naturales, son moléculas que solo se producen en el laboratorio.

Casi podría parecer que estas bacterias son clarividentes, ¿sabes? Como si anticiparan que en algún momento tendrían que ser resistentes a los antibióticos cuando llegara la humanidad, ¿verdad? Pero hay una explicación muy mundana que tiene que ver con estos tipos de rasgos latentes que identificamos en experimentos en el laboratorio. Así que estos rasgos realmente existen en la naturaleza. No son solo artefactos de experimentos.