Los errores del “Reloj Molecular” para fechar edad de fósiles

Fuente: Paleontólogos demuestranerrores de método para calcular la edad de fósiles de plantas

Tras examinar restos fosilizados de casi veinte especies de plantas de la Patagonia, constataron que los “relojes moleculares” o análisis de ADN subvaloran su antigüedad.

El llamado “reloj molecular”, método utilizado para determinar la antigüedad de animales y plantas que habitaron la Tierra, en realidad “adelanta” hasta decenas de millones de años y puede indicar una edad mucho más joven de la verdadera. Según informó la Agencia CyTA-Instituto Leloir.

Así lo revelaron paleontólogos de Argentina y de Estados Unidos, quienes señalaron que los resultados contribuyen a aclarar una controversia acalorada entre los especialistas de las ciencias naturales.

La técnica del “reloj molecular” estima la antigüedad de un grupo de seres vivos a partir de las modificaciones que sufrió el ADN de las especies que lo componen. Históricamente, el método había sido acusado de “atrasar”: indicar, por ejemplo, que una planta apareció hace 70 millones de años cuando el registro fósil señala que apenas tiene 10 millones de años.

Pero en los últimos años, con las mejoras del procedimiento, el desajuste cambió de sentido: los relojes moleculares comenzaron a obtener edades más jóvenes que las evidenciadas por los restos fosilizados.

Ahora, un equipo del Museo Paleontológico Egidio Feruglio (MEF) de Trelew, en Chubut, y del Departamento de Geociencias de la Universidad de Pensilvania, en Estados Unidos, aportó pruebas contundentes de que los relojes moleculares, en efecto, “adelantan”.

Para llegar a esa conclusión, los científicos estudiaron fósiles de 19 linajes de plantas cuya antigüedad estaba bien establecida. Y comprobaron que los estudios basados en análisis de ADN “rejuvenecían” las especies. Por ejemplo, araucarias de más de 150 millones de años tenían, según los cálculos de esa metodología, sólo 40 millones de años.

“La edad de los fósiles era mucho más antigua para un grupo que lo sugerido por sus moléculas de ADN”, señaló el doctor Ignacio Escapa, especialista en paleobotánica del MEF y primer autor del trabajo publicado en la revista “New Phytologist”.

De todas maneras, Escapa destacó que los relojes moleculares han avanzado “y es posible que en el futuro puedan reducir estos sesgos”.

Asimismo el investigador del CONICET explicó que la vía convencional y más precisa que se emplea en la actualidad para determinar la edad de los fósiles se basa en las dataciones radiométricas. La más conocida es la del carbono 14. Esta técnica se usa para datar sucesos relativamente recientes (hasta 60 mil años, aproximadamente). Para la datación de fósiles, de mucha más antigüedad, se usa el mismo método, pero con pares radioactivos como el Potasio-Argon o Plomo-Uranio, que permiten dataciones de sucesos de millones de años, publicó la Agencia CyTA-Instituto Leloir.

¿Cuánta información almacena la vida en la Tierra?

Fuente Expresión Genética

El virus de la gripe A H1N1 tiene 0,013 Mb de información [genética] almacenado en su genoma. Una típica bacteria intestinal como la E. coli, un poco más de 4,5 Mb. La papa, unos 850 Mb. Y, el ser humano, alrededor de 3.200 Mb. No necesariamente los organismos más complejos almacenan mayor información. Por ejemplo, la ameba (A. dubia) (un organismo bastante simple) tiene un genoma de 670.000 Mb, suficiente como para caber dentro de unas 10 memorias USB de 16 Gb (4 pares de base de ADN [información genética] = 1 byte [información digital]).

Son números realmente grandes y solo hemos tomado algunas especies como ejemplos. Ahora imaginen la cantidad de información almacenada en cada una de las células de todos los organismos que conforman las 8,7 millones de especies que se estima hay en nuestro planeta. Es decir, la cantidad de información que almacena la vida (incluyendo a los virus). ¿Te atreves a dar un número?

Tres investigadores del Centro para la Astrobiología del Reino Unido hicieron este cálculo, cuyo resultado aparece publicado en el último número de la revista PLOS Biology.

El primer paso fue estimar la cantidad de ADN que hay en cada uno de los cinco principales grupos de seres vivos: los procariotas (arqueas y bacterias), las plantas, los animales, los eucariotas unicelulares (protistas) y los hongos; incluyendo también a los virus. La tarea fue titánica porque se debía determinar (de manera aproximada) cuántas células había en cada uno de estos grupos, cuyo valor se obtuvo en función a la biomasa (cantidad total de materia que hay en todos los organismos que viven en un lugar determinado), y el tamaño promedio de sus genomas. Se incorporó además un factor de corrección de acuerdo al número de copias del genoma que hay en cada célula (ploidía) de cada organismo.

Método para calcular la cantidad de ADN por cada subgrupo de seres vivos.

Fuente: Landenmark, et al. 2015.

Como ejemplo calcularemos la cantidad de información almacenada en los procariotas.

Se estima que en nuestro planeta hay cinco quintillones (5×1030) de células procariotas. El tamaño promedio del genoma de las especies [conocidas] que conforman este grupo es 3,2 Mb. Si multiplicamos estos dos valores obtenemos 16 quintillones (1,6×1031) de Mb de información. ¡Aritmética simple!

El trío de investigadores repitió este procedimiento para cada grupo de organismos. Los resultados se resumen en la siguiente tabla:

Cantidad de ADN por cada grupo de organismos. Fuente: Landenmark, et al. 2015.

¡La vida en la Tierra almacena 53 quintillones de Mb de información genética! Esto equivale a 50 mil millones de toneladas de ADN, que si quisiéramos transportarlo de un lugar a otro deberíamos contratar a una empresa logística que tenga unos mil millones de contenedores marítimos. No obstante, lo más sorprendente es que para almacenar toda esta información genética de forma digital se requiere de mil trillones (1021) de Tianhe-2 (la más grande supercomputadora del mundo) cada una valorizada en 390 millones de dólares y que ocupa un área de 720 m2. Esto quiere decir que requeriríamos de 1.400 millones de Tierras o una superficie equivalente al área barrida por la órbita de Marte alrededor del Sol para colocar todas estas computadoras.

Cabe indicar que para este cálculo no se consideró al ADN mitocondrial, ni al ADN plastídico, ni al ADN de la hojarrasca, puesto que su aporte a la sumatoria total de ADN no es significativo.

Referencia:

• Landenmark HKE, Forgan DH, Cockell CS (2015) An Estimate of the TotalDNA in the Biosphere. PLoS Biol 13(6): e1002168. doi:10.1371/journal.pbio.1002168

RECREANDO LOS ORÍGENES DE LA VIDA EN LA TIERRA.

Dos científicos de Harvard consiguen «protocélulas» artificiales capaces de replicar su material genético en presencia de compuestos químicos que pudieron existir en las charcas de la Tierra primitiva

K. ADAMALA - El ciclo de las protocélulas en una charca de la Tierra primitiva: síntesis de ARN y replicación de las protocélulas

Muchos científicos piensan que la vida en la Tierra comenzó con una protocélula, una vesícula de lípidos que contenía un material genético simple capaz de autorreplicarse. El científico del Hospital General de Massachusetts y de la Universidad de Harvard (EE. UU.) Jack Szostak, ganador del Nóbel de Medicina en 2009, lleva más de un decenio tratando de reconstruir en el laboratorio estas protocélulas a partir de las cuales habrían surgido los primeros microorganismos, lo que explicaría por fin el origen de la biología terrestre.

En el número de esta semana de la revista Science, Szostak y su colaboradora Katarzyna Adamala avanzan un paso fundamental hacia la recreación de una protocélula funcional, al descubrir un componente químico que permite a estas estructuras mantener su integridad y replicar su material genético.

En su desarrollo de la teoría de la evolución biológica, Charles Darwin intuyó que la vida no debió de originarse en el mar abierto, sino en pequeños charcos ricos en materia orgánica donde los ingredientes químicos podían concentrarse y reaccionar a las temperaturas adecuadas. Siguiendo la intuición de Darwin, Szostak quiere replicar artificialmente el proceso que tuvo lugar en la Tierra entre 3.500 y 4.000 millones de años atrás, cuando las primeras células simples surgieron de forma espontánea a partir de esa sopa química.

La idea de Szostak es construir una burbuja de lípidos, en concreto ácidos grasos, y rellenarla con los componentes esenciales de la vida que podían estar presentes en la Tierra primitiva. Las células de todos los seres vivos se basan en algo tan sencillo como la repulsión entre el agua y el aceite; al concentrarse en agua, los ácidos grasos forman espontáneamente una membrana que aísla en su interior un ambiente acuoso que actúa a modo de tubo de ensayo, donde pueden producirse las reacciones necesarias para transformar la química en biología.

Como otros expertos, Szostak piensa que el primer material genético que apareció en la evolución fue el ARN. Este sirve a las células de la mayoría de organismos como intermediario desechable para el funcionamiento de los genes, pero algunos sistemas simples, como ciertos virus, lo utilizan como único material genético. Las células modernas emplean complejas enzimas para replicar sus genes, pero estas no podían estar presentes en la química primordial de la Tierra temprana. Szostak y Adamala lograron un sistema en el que el ARN se replica de forma autónoma, a partir de un molde y sin ayuda de enzimas.

Citrato

Pero la receta química para ello generaba un nuevo problema: la replicación del ARN requiere grandes cantidades de iones magnesio, y estos desestabilizan la membrana de ácidos grasos, destruyendo la protocélula. “Por primera vez, hemos sido capaces de lograr el copiado no enzimático del ARN dentro de vesículas de ácidos grasos”, afirma Szostak. “Hemos encontrado una solución a un problema de largo recorrido en el origen de la vida celular: la química para el copiado del ARN requiere la presencia del ión magnesio Mg2+, pero los niveles altos de Mg2+ rompen las membranas simples de ácidos grasos que probablemente rodeaban a las primeras células vivas”.

Los investigadores pensaron entonces en introducir en su fórmula un quelante, una molécula capaz de atrapar el magnesio y bloquear su efecto nocivo sobre las membranas. La dificultad adicional estribaba en que este compuesto no debía impedir la función beneficiosa del magnesio en la polimerización del ARN.

Para ensayar la replicación del ARN, los científicos introdujeron en sus vesículas unas largas cadenas de ARN formadas por un único tipo de eslabón, la citosina. Como réplica, debía formarse una cadena complementaria formada por guaninas, que se aparean con las citosinas. Para facilitar la reacción, el ARN empleado como molde ya llevaba acoplados los primeros eslabones de la cadena complementaria. Por último, se añadieron las guaninas, el magnesio, y uno a uno se ensayaron los quelantes.

El citrato fue la respuesta. Este quelante no solo prevenía el daño en las membranas de ácidos grasos, sino que aceleraba el copiado de la cadena de ARN. Otros quelantes, como el isocitrato o el oxalato, también protegían las vesículas, pero impedían la replicación. “Mientras otras moléculas protegen las membranas contra el ión magnesio, no permiten que se produzca la química del ARN”, explica Szostak. “Pensamos que el citrato resguarda las membranas y facilita el copiado del ARN gracias a que solo cubre una cara del ión magnesio”.

En busca de péptidos

Pese al éxito de los investigadores, no parece fácil proponer que el citrato estuviera presente en la sopa primordial de aquellas charcas en las que, según Darwin y Szostak, nació la vida en la Tierra. El citrato es una forma iónica del ácido cítrico, el cual está presente en ciertas frutas y es ampliamente empleado como aditivo alimentario bajo el nombre de E330. Además, el citrato es un intermediario natural en el metabolismo de todos los seres que respiran oxígeno. Pero una molécula tan bioquímicamente clave no podía existir en un lugar en el que la bioquímica aún no se había inventado.

¿O sí? En su estudio, Szostak y Adamala citan un trabajo publicado el pasado septiembre en la revista Journal of the American Chemical Society y que describe una vía abiótica, es decir, que no requiere la compleja química de una célula, para producir algunos compuestos del ciclo del ácido cítrico. Pero en cualquier caso, los dos investigadores contemplan la posibilidad de que en las charcas prebióticas existiera una alternativa al citrato.

“Hemos mostrado que hay al menos una manera de compatibilizar la química de la replicación del ARN con membranas celulares primitivas basadas en ácidos grasos, pero esto plantea nuevas preguntas”, resume Szostak. “Nuestra mejor teoría es que debió de existir algún tipo de péptidos simples que actuaron de una forma similar al citrato, y ahora estamos trabajando en la búsqueda de estos péptidos”.

El motivo de Szostak y Adamala al proponer un tipo de péptido, moléculas que constituyen los ladrillos de las proteínas, es que uno de ellos forma el sitio activo de las ARN polimerasas, las enzimas que sintetizan el ARN en las células modernas. Dicho sitio, además, necesita ión magnesio para funcionar, lo que sugiere que el complejo citrato-magnesio podría simular la estructura funcional de ese presunto péptido unido al mismo ión que sí pudo estar presente en la sopa orgánica de la Tierra primigenia.

[Fuente]
http://www.abc.es/ciencia/20131128/abci-logran-recrear-primeras-celulas-201311280946.html

Evolución predecible.

Distintas poblaciones de bacterias pueden responder de forma idéntica a las variaciones ambientales.

Aunque las mutaciones, las impulsoras de la evolución, se producen al azar, un estudio sobre la bacteria Escherichia coli revela que la naturaleza halla la misma solución ante el mismo problema una y otra vez.

A lo largo del tiempo, las mutaciones aleatorias permiten a los organismos adaptarse a los cambios y diversificarse. Ello se observa sobre todo cuando varios grupos de la misma especie separados geográficamente se especializan en su propio entorno.

Pero ese no es el único modo en que puede surgir la diversidad genética. Se han descrito casos de peces cíclidos, palmeras y pinzones que se adaptan a diferentes nichos ecológicos y se diversifican en distintas especies a pesar de vivir en el mismo lugar. En 2008, un estudio liderado por Michael Doebeli, de la Universidad de Columbia Británica en Vancouver, reveló que E. coli también puede diversificarse en el interior de un tubo de ensayo.

En ese estudio, añadió glucosa y acetato al cultivo bacteriano. Si bien la especie puede consumir ambas sustancias, Doebeli descubrió que en todos tubos examinados aparecían dos grupos, uno especializado en el consumo de glucosa y otro en el de acetato. Sin embargo, se desconocía la vía genética que utilizaba cada grupo para especializarse.

En un estudio recién publicado, Doebeli se propuso averiguarlo. Para ello recurrió a muestras congeladas de tres tubos de ensayo del experimento de 2008 y secuenció el ADN de las bacterias. Los datos han demostrado que en los tres tubos aparecían mutaciones idénticas de forma independiente. A pesar del carácter aleatorio de las mutaciones, los mismos cambios en el entorno daban lugar a las mismas soluciones genéticas.

El estudio también ha revelado que algunas mutaciones se producían solo en un orden concreto: después de que un grupo se especializara en la glucosa y el otro en el acetato, ambos evolucionaban para adaptarse mejor a un cambio del recurso alimentario en el medio. Esa última mutación no habría resultado útil hasta después de la aparición de la primera, que ayudó a agotar antes el suministro nutritivo. Aunque los biólogos ya habían observado la aparición de caracteres en un determinado orden, hasta ahora no se había descrito la base genética de esos cambios.

[Fuente]

http://www.investigacionyciencia.es/noticias/evolucin-predecible-10859

UN NUEVO MÉTODO DE CÁLCULO PARA FECHAR EL ÁRBOL DE LA VIDA.

Con sus raíces profundamente arraigadas, un robusto tronco y una densa profusión de ramas, el árbol de la vida es una estructura de una complejidad y belleza casi insondable. Aunque se han hecho grandes avances para establecer la jerarquía evolutiva que abarca todas las especies vivas, el proyecto se encuentra todavía en su infancia.

En el Arizona State University's Biodesign Institute, Sudhir Kumar ha estado llenado el árbol de la vida mediante el desarrollo de sofisticados métodos y herramientas bioinformáticas. Su investigación más reciente, que apareció en la edición on-line de Proceedings of the National Academy of Sciences, permitirá a los científicos analizar grandes set de datos para ajustar el reloj, de la multitud de puntos de ramificación (nodos) en el árbol, en que cada punto representa la  divergencia de una especie de su ancestro común. El nuevo método difiere significativamente de las técnicas utilizadas actualmente y sobresale en proporcionar resultados de exactitud igual o superior a una velocidad de 1000 veces más rápido.

Para el correcto estudio de la historia evolutiva, dos componentes son fundamentales: las relaciones entre los organismos (conocido como filogenia) y sus tiempos de divergencia. Como explica Kumar, la poderosa técnica para estimar el tiempo de divergencia entre especies se realizó inicialmente más de cuatro décadas atrás, cuando el concepto de los relojes moleculares fue introducido. Inicialmente, la idea se basaba en la suposición de que las alteraciones en cualquiera de las secuencias de aminoácidos de las proteínas o las secuencias de nucleótidos de ADN entre las diversas especies se acumulan a una velocidad uniforme en el tiempo y se puede utilizar para evaluar los tiempos de divergencia. La estructura filogenética resultante es conocida como un "TimeTree", es decir, un árbol de la vida a escala en tiempo.

Antes de la utilización de relojes moleculares, los cambios morfológicos entre las especies fueron el principal medio de identificación de los tiempos de divergencia. Desde entonces, los relojes moleculares han demostrado ser una herramienta vital para los biólogos evolutivos, que se completa el registro fósil y proporcionar un poderoso medio para el tiempo de la divergencia de las especies.

Pero hay una complicación. La tasa de cambio medido por los relojes moleculares puede variar, a veces radicalmente, entre los grupos de especies. En lugar de un mundo ordenado que se ejecuta en un reloj de tiempo universal, el árbol de la vida se parece más a una tienda de antigüedades donde los relojes funcionan a diferentes velocidades en las diferentes especies.

Muchos enfoques para hacer frente a este dilema se han aplicado con éxito, pero su complejidad aumenta exponencialmente con el número de especies involucradas. A menudo, estos cálculos requieren grandes cantidades de tiempo, incluso para los conjuntos de datos de tamaño modesto.

Produce resultados rápidos.

El objetivo principal es estimar los tiempos relativos de divergencia. Esto evita la necesidad de utilizar el registro fósil, que se otherswise necesario con el fin de obtener tiempos absolutos.

"Si, por ejemplo, podemos establecer que la divergencia humano y el del chimpancé es 5 veces menor que la divergencia humano y el mono, sería muy útil", dice Kumar. "Lo que nuestro método puede hacer es generar información es el tiempo relativo para cada divergencia en el árbol de la vida, sin usar el registro fósil u otros parámetros o modelos más complicados." Una vez que los tiempos relativos de todos los nodos en el árbol de la vida se establecen, se utiliza el registro fósil, para fijar puntos de calibración para un alto grado de confianza.

Kumar señala que la secuenciación rápida de ADN ha permitido enormes conjuntos de datos comparativos de las secuencias de moléculas que se generan. Los análisis de incluso unos pocos cientos de secuencias a través de los métodos actuales sin embargo requiere de grandes recursos informáticos y un set de datos mayor, no se puede resolver en un tiempo razonable a través de los métodos actuales, por lo que se necesitaba un nuevo enfoque.

Usando RelTime y al restringir el análisis a los tiempos de divergencia, produce resultados para los grandes árboles filogenéticos en horas en lugar de días. También se puede obtener una mayor precisión, especialmente cuando los conjuntos de datos son enormes.

"Los usos de la técnica, tales sólo están limitadas por la imaginación. Pueden ser utilizados para estimar el origen de las especies conocidas, la aparición de patógenos humanos, y así sucesivamente", dice Kumar. "El método es aplicable a todos quienes trabajan con secuencias y árboles."

RelTime también puede ayudar a resolver las preocupantes disparidades entre los tiempos de divergencia sobre la base de los registros fósiles en comparación con los establecidos a través de la utilización de datos moleculares. Los ejemplos de discrepancias entre los fósiles y mediciones de datos moleculares han provocado un animado debate, en particular sobre la radiación adaptativa de los mamíferos postulados que se han producido en el momento de la extinción de los dinosaurios hace 65 millones de años y la divergencia de determinado phyla animal cree que la fecha para el comienzo del período Cámbrico (~ 500 millones de años). En ambos casos, por ejemplo, las fechas moleculares son aproximadamente 50 por ciento mayor que las fechas fósiles.

El proyecto tendrá importantes consecuencias para muchos campos de la investigación, proporcionando una visión profunda de la biología comparativa, así como la generación de datos de interés para los paleontólogos, geólogos, geoquímicos, y climatólogos. El establecimiento de una línea de tiempo comparativo biológico sincronizado con la historia de la Tierra permitirá a los científicos que trabajan en diversas áreas explorar el desarrollo a largo plazo de la biosfera y de investigar los fundamentos evolutivos de toda la vida.