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O EXPERIMENTO DE EVOLUÇÃO DE LONGA DURAÇÃO: seus 25 anos e suas principais lições

O EXPERIMENTO DE EVOLUÇÃO DE LONGA DURAÇÃO: seus 25 anos e suas principais lições

Fernanda Maria Policarpo Tonelli, Rodrigo R Resende

Vol. 1, N. 7, 20 de fevereiro de 2014
DOI: http://dx.doi.org/10.15729/nanocellnews.2014.02.20.006

Richard Lenski e seu grupo da BEACON Centro para estudos da evolução em ação (Center for the Study of Evolution in Action), da Universidade do Estado de Michigan, nos EUA, conduzem um experimento que é um marco na experimentação a respeito de evolução de longa duração (LTEE); este experimento já caminha para os seus 26 anos de duração (a serem completados em 24/02/2014).

Neste longo experimento, as bactérias Escherichia coli de 12 populações idênticas foram colocadas para crescer a 37 ºC, em 1988, em meio contendo glicose como alimento limitante. A glicose é utilizada tanto por bactérias quanto por mamíferos, incluindo nós, seres humanos, como a fonte primária para produção de energia. No caso do referido experimento, as bactérias crescem enquanto tem a glicose disponível para seu consumo, neste caso, dizemos que a glicose é limitante do crescimento bacteriano. Dizemos crescimento bacteriano referindo-se ao número de células que se duplicam, não ao volume ou “tamanho” da própria célula. E a cada esgotamento deste nutriente no meio, as bactérias eram transferidas para novo frasco com meio fresco: e isto vem sendo feito até os dias atuais (o experimento continua em andamento). Alíquotas de bactérias são retiradas e congeladas a cada 75 dias (1).

Durante estes quase 26 anos, 4 principais lições puderam ser adquiridas a partir deste experimento, segundo Lenski (2):

I.) Demonstrou-se, de maneira simples e reprodutível, que a adaptação ocorre por meio da seleção natural.

II.) A característica (ou aptidão) resultante do processo evolutivo pode aumentar, pelo menos, por um longo tempo: uma espécie de “para sempre”, mesmo em ambiente estável, isto é, em ambiente sem estresses bióticos ou abióticos. Os estresses bióticos são aqueles causados por outros organismos vivos, como bactérias, vírus, fungos, insetos-praga, plantas concorrentes cultivadas ou nativas, sejam por invasão (ou infecção) de outro ser, ou simplesmente por competição por espaço, alimento e reprodução (na própria espécie). Já, os estresses abióticos são aqueles causados por agentes não vivos, como, falta ou excesso d’água, salinidade, toxicidade causada por cátions ou ânions, ventos, temperaturas extremas, secas, inundações, radiações e até desastres naturais, como tornados e incêndios florestais. O valor adaptativo (ou fitness) deve então ser descrito por uma lei de potência em relação ao número de gerações (por exemplo, 2n, onde n é o número de gerações ou quantas vezes a bactéria se dividiu, e 2 porque, para cada divisão, são criadas duas bactérias), a fim de que não se subestime o mesmo através de uma representação por modelo assintótico (que possui em platô de estabilização) (Figura 1).

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Figura 1: Curva de crescimento bacteriano é descrita em 4 fases: 1) Fase de Colonização. Também chamada de fase Lag. É a fase da adaptação. 2) Fase exponencial, também conhecida como fase Log. É caracterizada pelo grande crescimento bacteriano baseado em 2n.

3) Fase estacionária. É a fase em que o crescimento fica parado, por isso que é chamado de estacionário. Este período é caracterizado pela falta de nutrientes e acúmulo de metabólitos. Quase não há crescimento.

4) Fase de declínio ou morte. É caracterizado pela morte das bactérias.

III) Foi possível a observação de exemplos de evolução paralela e divergente em genótipo (em relação aos genes que constituem o organismo) e fenótipo (a aparência do organismo). Evolução paralela, ou convergência evolutiva ou evolução convergente é um fenômeno evolutivo  observado em seres vivos quando estes desenvolvem características semelhantes de origens diferentes. Ou seja, é quando um caráter semelhante evolui independentemente em duas espécies, não sendo encontrado no ancestral comum delas. Este fenômeno ocorre devido à seleção natural, que seleciona positivamente aquelas mutações que geram adaptações morfológicas, fisiológicas e até comportamentais mais adequadas para um determinado ambiente. No experimento, foi observado que a alteração fenotípica de tamanho de células (que aumenta em relação ao ancestral) (3) e as alterações genotípicas, que ocasionaram perdas no catabolismo de ribose, são exemplos relevantes (4). A evolução divergente ocorre quando alguns caracteres que apresentam uma origem comum e se divergem ao longo do tempo, dando origem a diversos outros caracteres. Esses caracteres podem ser mudanças anatômicas, fisiológicas, genéticas, dentre outras. No experimento, com relação à evolução divergente, perceberam-se importantes alterações, principalmente quanto à utilização de citrato como fonte de energia e a capacidade de crescimento em maltose. Isto é, as bactérias que eram dependentes de glicose para crescerem, agora, na falta da glicose, cresciam utilizando o citrato e a maltose como fontes de alimentos. Bactérias Cit+, as que utilizam o citrato como fonte de alimento ou energia, foram detectadas durante o processo evolutivo no experimento, e por meio de análises das alíquotas de estágios anteriores de evolução, constatou-se que mais de 30.000 gerações ou divisões celulares foram necessárias para que esta evolução ocorresse. Por meio de análises genômicas (que determinam qual é a composição do ácido nucleico ou o material genético das células) evidenciou-se que a capacidade de utilização de citrato na presença de oxigênio, na população de E. coli, devia-se a uma duplicação em sequência ou em tandem: do promotor (este promove ou inibe a expressão gênica, ou seja liga ou desliga a produção de um gene) que dirige a expressão de genes em meio aeróbio (com oxigênio), para uma posição em que o promotor passava a dirigir (liga ou desliga) a expressão do transportador de citrato (antes silenciado ou desligado) (5). Quanto à maltose (dímero ou duas moléculas de glicose ligadas), um fato interessante de se notar é que a mudança de aptidão de capacidade de metabolização de glicose, não é a mesmo para o seu dímero. Enquanto as bactérias continuam aptas a viver em meio com glicose, já existem, no experimento em andamento, linhagens incapazes de sobreviver em maltose, devido às mutações ocorridas em seu genoma (6).

IV) Este tipo de experimento, além de possibilitar a observação de evoluções de novas funções nas bactérias em análise (p.ex. utilização de citrato como fonte de alimento), permitiu evidenciar o estabelecimento de ecologias complexas (mesmo no ambiente limitado de cultivo) no convívio entre diferentes populações após determinado tempo de processo evolutivo. Em um estudo de Rozen e Lenski publicado em 2000, escolheu-se 2 tipos de E. coli (L e S), derivadas do polimorfismo fenotípico, ou seja, com várias aparências possíveis, consequência do processo evolutivo em torno de 20.000 gerações; estas se diferiam em tamanho de célula e colônia. Em cultivo conjunto, observou-se que o crescimento de ambas sofria influências devido à presença uma da outra (p.ex. a taxa de morte da bactéria L na fase estacionária era maior quando a bactéria S estava em abundância no meio) (Figura 2). Desta forma notou-se que a aptidão relativa de cada uma é dependente da frequência de ambas, que é a competição por espaço e alimento, um exemplo de estresse biótico e abiótico: que converge para uma frequência de equilíbrio no cultivo prolongado (7).

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Figura 2: Colônias de bactérias de tamanhos e cores diferentes. Colônias são bactérias que foram originadas de uma mesma célula. Em uma placa somente havia um tipo de bactéria, quando foram colocadas para crescerem duas bactérias de tipos diferentes, derivadas originariamente de uma mesma bactéria, a 26 anos atrás, as brancas dominaram a placa, em detrimento das vermelhas.

Desta maneira, em um ambiente simples e limitado de cultivo, Lenski e colaboradores foram capazes de oferecer-nos, e pretendem continuar a fazê-lo, uma compreensão do processo evolutivo e coevolutivo nunca antes atingida. “Engarrafaram” o processo evolutivo, colocando-o disponível para que se viaje no tempo (para gerações passadas e futuras) ao se estudar alíquotas mais antigas ou mais recentes no processo como um todo.

No entanto, uma observação aqui deve ser acrescentada. Toda essa magnífica obra não é obra do homem. É obra de um sistema complexo, o organismo vivo interagindo com o meio ambiente e outros organismos.

Referências

1. Pennisi E. The Man Who Bottled Evolution. Science 2013;342(6160):790-3 

2. Lenski RE. Lenski RE, editor. http://telliamedrevisited.wordpress.com/2013.

3. Lenski RE, Travisano M. Dynamics of adaptation and diversification: a 10,000-generation experiment with bacterial populations. Proc Natl Acad Sci USA. 1994;91:6808-14.

4. Cooper VS, Schneider D, Blot M, Lenski RE. Mechanisms Causing Rapid and Parallel Losses of Ribose Catabolism in Evolving Populations of Escherichia coli B. J Bacteriol. 2001;183(9):2834-41.

5. Blount ZD, Barrick JE, Davidson CJ, Lenski RE. Genomic analysis of a key innovation in an experimental Escherichia coli population. Nature. 2012;489:513–8.

6. Travisano M, Vasi F, Lenski RE. Long-term experimental evolution in Escherichia coli. III. Variation among replicate populations in correlated responses to novel environments. Evolution. 1995;49:189-200.

7. Rozen DE, Lenski RE. Long-term experimental evolution in Escherichia coli. VIII. Dynamics of a balanced polymorphism. American Naturalist. 2000;155:24-35.

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