Estudios de evolución rápida en microorganismos bajo condiciones selectivas y de cambio globalalgunos modelos y aplicaciones en biología

Resumen

Los microorganismos son organismos modelo para el estudio de la evolución. Entender los procesos que operan modificando los microorganismos en el tiempo y como estos han transformado los organismos hasta la actualidad, pueden permitirnos abordar la problemática actual de pérdida de diversidad o ayudarnos a entender la complejidad de los organismos contemporáneos. Dentro de los trabajos enmarcados en esta tesis, hemos capitalizado la versatilidad de la evolución experimental como marco de investigación para abordar diferentes cuestiones adaptativas y evolutivas en microrganismos. Frente al desafío que representa la problemática del Cambio Global, hemos realizado diferentes experimentos de adaptación frente a estresantes antropogénicos (incremento de la temperatura, osmio, berilio y charcas minería de uranio) en el fitoplancton, a lo que se ha sumado un trabajo de revisión del estado actual del conocimiento. Las especies dentro del fitoplancton presentan una capacidad de adaptación diferencial, sin relación directa con el grupo taxonómico o el nicho ecológico. Los resultados obtenidos frente a presiones selectivas intensas, que implica una reducción drástica de la población, indican que la adaptación puede tener lugar gracias a mutantes presentes por azar dentro de las poblaciones naturales. Por tanto, en relación a los efectos del Cambio Global, la diversidad fitoplanctónica puede verse reducida, alterando la biogeografía futura de las poblaciones y favoreciendo a las especies con mayor plasticidad. Por otro lado, investigamos una transición evolutiva, como es el origen de la multicelularidad, bajo diferentes condiciones ecológicas. Por medio de una selección por sedimentación en S. cerevisiae, obtuvimos el fenotipo multicelular snowflake yeast a partir de su ancestro unicelular. La restricción nutricional no resultó limitante a la hora de obtener por selección fenotipo snowflake, ni implica una reversión hacia la unicelularidad a partir de un fenotipo snowflake. Sin embargo, la complejidad de las interacciones entre los organismos y su ambiente, pueden facilitar la persistencia de subpoblaciones (el fenotipo unicelular), así como la expansión de metapoblaciones (persistencia de poblaciones mixtas). Además, hemos propuesto dos modelos teóricos, abordando comportamientos biológicos dentro de los ecosistemas acuáticos. Mediante teoría de juegos evolutiva, hemos abordado la coexistencia de genotipos productores y no productores de microcistina dentro de un mismo bloom tóxico. Según nuestro modelo de juego, esta coexistencia puede explicarse cómo el resultado de una selección dependiente de frecuencias, sugiriendo comportamientos cooperativos y una función de esta toxina. El segundo modelo hace una aproximación desde teoría económica, asumiendo que las conductas expuestas por los animales optimizan su ingesta de energía y están bajo acción de la selección natural. En nuestro modelo, al incrementarse el precio del bien básico (el fitoplancton), la demanda del mismo se ve incrementada para cubrir los requerimientos energéticos, emulando a los bienes Giffen. Nuestros estudios experimentales han desvelado conductas análogas al comportamiento Giffen en las condiciones que impone el modelo. Por último, partiendo de cepas aislados a partir de ambientes extremos, hemos llevado a cabo procesos de selección artificial y estudios funcionales en relación a posibles aplicaciones biotecnológicas. Hemos obtenido una cepa de Raoutella planticola capaz de utilizar microcistina como única fuente de carbono y de degradar hasta 2,5 ppb de microcistina en agua. Con esta cepa, desarrollamos un biofiltro para eliminar activamente microcistina en agua. Análogamente, hemos obtenido una cepa mejorada de Chlamydomonas cf. fonticola capaz de captar hasta 10 mg de uranio por gramo de biomasa seca y producir fraccionamiento isotópico en el proceso de bioacumulación.