Los científicos han investigado cómo la vida multicelular evolucionó desde cero

Si bien los primeros linajes multicelulares comenzaron necesariamente como grupos celulares relativamente simples, se sabe poco acerca de cómo las entidades darwinianas se volvieron capaces de una evolución multicelular continua. Un nuevo estudio investiga esto con un experimento de evolución multicelular a largo plazo.

Los científicos del Instituto de Tecnología de Georgia tienen como objetivo desarrollar nuevos tipos de organismos multicelulares a partir de ancestros unicelulares en el laboratorio. Eligieron «Levadura de copo de nieve» porque todas las cepas multicelulares comenzaron pequeñas y simples, pero muchas se han vuelto más grandes y poderosas con el tiempo.

La capacidad de desarrollar cuerpos grandes y duros juega un papel en el aumento de la complejidad, ya que requiere nuevas innovaciones biofísicas. Su levadura ha evolucionado durante aproximadamente 3000 generaciones para producir poblaciones más de 20 000 veces más grandes que sus antepasados. Ha pasado de ser invisible a simple vista al tamaño de una mosca de la fruta, con más de 500.000 células. Si bien comenzó siendo más débil que la gelatina, la levadura única de Snowflake adquirió nuevas cualidades físicas para volverse tan fuerte y flexible como la madera.

Los científicos vieron cómo su organismo modelo, «Levadura de copo de nieve», comenzó a adaptarse como individuos multicelulares a lo largo de 3000 generaciones de evolución de laboratorio. Mostraron cómo la levadura de copo de nieve evolucionó para ser físicamente más fuerte y más de 20 000 veces más fuerte que sus antepasados.

Las poblaciones de levadura de copo de nieve van desde unas 100 células por bloque (tubo izquierdo) hasta casi medio millón de células por bloque (tubo derecho).

El tipo de vida multicelular masiva que se puede observar a simple vista requiere este tipo de evolución biofísica como requisito previo.

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Los científicos descubrieron que las células de levadura crecían más cuando intentaron comprender cómo cambiaba la levadura de copo de nieve para hacerse más grande. Esto resultó en menos células que estaban agrupadas estrechamente en cada grupo. El aumento en el estrés de célula a célula que a menudo hace que los grupos se desintegren fue frenado por el alargamiento celular, lo que permitió que los grupos crecieran. Sin embargo, el tamaño y la dureza multicelulares deberían aumentar ligeramente como resultado de este solo hecho.

Los científicos tuvieron que investigar las interacciones físicas entre las células dentro de las poblaciones de levadura para determinar los mecanismos biofísicos específicos que permitieron el crecimiento a un tamaño macroscópico. Los científicos utilizaron un microscopio electrónico de barrido para obtener imágenes de miles de rebanadas delgadas de levadura, revelando su estructura interna. Dado que los microscopios ópticos ordinarios no pueden alcanzar los cúmulos grandes y densamente agrupados, este método era necesario.

Ozan Bozdag, científico investigador y ex investigador postdoctoral en Ratcliffe Group, dijo: «Descubrimos que había un nuevo mecanismo físico que permitía que los grupos crecieran a un tamaño muy, muy grande. Las ramas de levadura se entrelazaron: las células del grupo desarrollaron un comportamiento similar al de una vid, envolviéndose entre sí y enderezando toda la estructura. .”

Los científicos descubrieron cómo usar el principio biomecánico del enredo eligiendo solo el tamaño del organismo, lo que finalmente hizo que la levadura fuera unas 10,000 veces más poderosa que los materiales.

Peter Junker, profesor asistente en la Escuela de Física y coautor, dijo: «El entrelazamiento se ha estudiado previamente en sistemas muy diferentes, principalmente en polímeros. Pero aquí vemos la reticulación a través de un mecanismo completamente diferente: el crecimiento de las células y no solo a través de su movimiento».

Cuando los científicos vieron los enredos, se dieron cuenta de cómo evolucionan los grupos multicelulares simples. La levadura copo de nieve es un nuevo organismo multicelular que carece de las complejas vías de desarrollo que se encuentran en los organismos multicelulares contemporáneos. Sin embargo, la levadura descubrió cómo manipular y apropiarse de las marañas celulares como un mecanismo de desarrollo después de solo 3000 generaciones de evolución en el laboratorio.

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Según investigaciones preliminares, los hongos multicelulares también producen organismos multicelulares que están muy entrelazados, lo que indica que el entrelazamiento es una característica común e importante de la vida multicelular en este filo.

William Ratcliffe, profesor asociado de la Facultad de Ciencias Biológicas y director del Programa Interdisciplinario de Graduados en Ciencias Biológicas Cuantitativas, Él dijoY «Estoy emocionado de tener un sistema modelo en el que podamos desarrollar la vida multicelular temprana durante miles de generaciones, aprovechando el enorme poder de la ciencia moderna. En principio, podemos entender todo lo que sucede, desde la biología celular evolutiva hasta los rasgos biofísicos que están directamente sujetos». a la selección.”

«Al poner nuestro dedo en la escala de la evolución de un organismo unicelular, podemos aprender cómo evolucionaron hacia organismos multicelulares progresivamente más complejos e integrados y estudiar ese proceso en el camino. Con suerte, este es solo el primer capítulo de una larga saga». de descubrimiento multicelular a medida que continuamos desarrollando Snowflake Yeast de MuLTEE».

Referencia de la revista:

  1. Bozdag GO, Zamani-Dahaj SA, Day TC, Kahn PC, Burnetti AJ, Lac DT, Tong K, Conlin PL, Balwani AH, Dyer EL, Yunker PJ. Evolución de novo de la multicelularidad macroscópica. Naturaleza, 2023. DOI: 10.1038 / s41586-023-06052-1

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