Cuando naciste, heredaste la mitad de tus genes de tu madre y la otra mitad de tu padre. Esa es tu suerte. Esos fragmentos de ADN heredados permanecerán con usted durante toda su vida, sin más adiciones u omisiones. No puedes tener ninguno de mis genes, y yo no puedo adquirir ninguno de los tuyos.
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Pero imagine un mundo diferente donde amigos y colegas puedan intercambiar genes a voluntad. Si su jefe tiene un gen que la hace resistente a varios virus, puede tomarlo prestado. Si su hijo tiene un gen que lo pone en riesgo de enfermedad, puede cambiarlo por su versión más saludable. Si los parientes lejanos tienen un gen que les permite digerir mejor ciertos alimentos, es suyo. En este mundo, los genes no son solo herencias que se transmiten verticalmente de una generación a la siguiente, sino mercancías que se intercambian horizontalmente, de un individuo a otro.
Este es exactamente el mundo en el que viven las bacterias. Pueden intercambiar ADN tan fácilmente como podríamos intercambiar números de teléfono, dinero o ideas. A veces, se acercan entre sí, crean un enlace físico y transportan fragmentos de ADN: su equivalente del sexo. También pueden buscar fragmentos de ADN desechados en su entorno, dejados por sus vecinos muertos y en descomposición. Incluso pueden confiar en los virus para mover genes de una célula a otra. El ADN fluye tan libremente entre ellos que el genoma de una bacteria típica está veteado con genes que llegaron de sus pares. Incluso las cepas estrechamente relacionadas pueden tener diferencias genéticas sustanciales.
Las bacterias han estado llevando a cabo estas transferencias horizontales de genes, o HGT, por poco tiempo, durante miles de millones de años. Pero no fue hasta la década de 1920 que los científicos se dieron cuenta por primera vez de lo que estaba sucediendo. Se dieron cuenta de que las cepas inofensivas de Pneumococcus podrían comenzar a causar enfermedades repentinamente después de mezclarse con los restos muertos y pulpados de cepas infecciosas. Algo en los extractos los había cambiado. En 1943, un "revolucionario silencioso" y microbiólogo llamado Oswald Avery demostró que este material transformador era ADN, que las cepas no infecciosas habían absorbido e integrado en sus propios genomas. Cuatro años después, un joven genetista llamado Joshua Lederberg (que luego popularizaría la palabra "microbioma") demostró que las bacterias pueden intercambiar ADN más directamente.
Contengo multitudes: los microbios dentro de nosotros y una visión más amplia de la vida
ComprarSesenta años después, sabemos que HGT es uno de los aspectos más profundos de la vida bacteriana. Permite que las bacterias evolucionen a velocidades vertiginosas. Cuando enfrentan nuevos desafíos, no tienen que esperar a que las mutaciones correctas se acumulen lentamente dentro de su ADN existente. Simplemente pueden tomar prestadas adaptaciones al por mayor, al recoger genes de personas que ya se han adaptado a los desafíos en cuestión. Estos genes a menudo incluyen juegos de comedor para descomponer las fuentes de energía sin explotar, escudos que protegen contra los antibióticos o arsenales para infectar nuevos huéspedes. Si una bacteria innovadora desarrolla una de estas herramientas genéticas, sus vecinos pueden obtener rápidamente los mismos rasgos. Este proceso puede cambiar instantáneamente los microbios de residentes intestinales inofensivos a monstruos que causan enfermedades, de Jekylls pacíficos a Hydes siniestros.
También pueden transformar patógenos vulnerables que son fáciles de matar en "superbacterias" de pesadilla que ignoran incluso nuestros medicamentos más potentes. La propagación de estas bacterias resistentes a los antibióticos es sin duda una de las mayores amenazas para la salud pública del siglo XXI, y es un testimonio del poder desenfrenado de la HGT.
Los animales no son tan rápidos. Nos adaptamos a los nuevos desafíos de la manera habitual lenta y constante. Las personas con mutaciones que las dejan mejor adaptadas a los desafíos de la vida tienen más probabilidades de sobrevivir y transmitir sus dones genéticos a la próxima generación. Con el tiempo, las mutaciones útiles se vuelven más comunes, mientras que las dañinas se desvanecen. Esta es una selección natural clásica: un proceso lento y constante que afecta a las poblaciones, no a los individuos. Halcones de avispones, y los humanos pueden acumular gradualmente mutaciones beneficiosas, pero ese avispón individual, o este halcón específico, o esos humanos particulares no pueden recoger genes beneficiosos por sí mismos.
Excepto que a veces pueden. Podrían intercambiar sus microbios simbióticos, adquiriendo instantáneamente un nuevo paquete de genes microbianos. Pueden poner en contacto nuevas bacterias con las de sus cuerpos, de modo que los genes extraños migren a su microbioma, imbuyendo a sus microbios nativos con nuevas habilidades. En raras pero dramáticas ocasiones, pueden integrar genes microbianos en sus propios genomas.
A los periodistas entusiasmados a veces les gusta afirmar que HGT desafía la visión de la evolución de Darwin, al permitir que los organismos escapen de la tiranía de la herencia vertical. ("Darwin estaba equivocado", proclamó una infame portada de New Scientist, erróneamente). Esto no es cierto. HGT agrega una nueva variación al genoma de un animal, pero una vez que estos genes saltarines llegan a sus nuevos hogares, aún están sujetos a una buena selección natural.
Los perjudiciales mueren junto con sus nuevos anfitriones, mientras que los beneficiosos se transmiten a la próxima generación. Esto es tan clásico darwiniano como parece: vainilla en su sabor y excepcional solo en su velocidad. Al asociarnos con microbios, podemos acelerar el adagio lento y deliberado de nuestra música evolutiva al vivo y vivo alegro de ellos.
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A lo largo de las costas de Japón, un alga de color marrón rojizo se aferra a las rocas barridas por la marea. Esta es Porphyra, mejor conocida como nori, y ha llenado los estómagos japoneses durante más de 1.300 años. Al principio, la gente lo molió en una pasta comestible. Más tarde, lo aplanaron en láminas, que envolvieron alrededor de bocados de sushi. Esta práctica continúa hoy y la popularidad de nori se ha extendido por todo el mundo. Aún así, tiene un vínculo especial con Japón. El largo legado de consumo de nori del país ha dejado a su gente especialmente bien equipada para digerir los vegetales marinos. No tenemos enzimas que puedan descomponer las algas, y tampoco la mayoría de las bacterias en nuestros intestinos.
Pero el mar está lleno de microbios mejor equipados. Una de estas, una bacteria llamada Zobellia galactanivorans, fue descubierta hace solo una década, pero ha estado comiendo algas durante mucho más tiempo. Imagine a Zobellia, hace siglos, viviendo en las aguas costeras japonesas, sentada en un pedazo de algas y digiriéndola. De repente, su mundo se desarraiga. Un pescador recoge las algas y las usa para hacer pasta de nori. Su familia devora estos bocados, y al hacerlo, se tragan a Zobellia . La bacteria se encuentra en un nuevo entorno. El agua salada fría ha sido sustituida por jugos gástricos. Su camarilla habitual de microbios marinos ha sido reemplazada por especies extrañas y desconocidas. Y a medida que se mezcla con estos extraños exóticos, hace lo que las bacterias suelen hacer cuando se encuentran: comparte sus genes.
Sabemos que esto sucedió porque Jan-Hendrick Hehemann descubrió uno de los genes de Zobellia en una bacteria intestinal humana llamada Bacteroides plebeius . El descubrimiento fue una conmoción total: ¿qué demonios estaba haciendo un gen marino en el intestino de un humano que arrasa? La respuesta implica HGT. Zobellia no está adaptada a la vida en el intestino, por lo que cuando se montó en bocados de nori, no se quedó. Pero durante su breve permanencia, podría haber donado fácilmente algunos de sus genes a B. plebeius, incluidos los que producen enzimas que digieren algas llamadas porfiriasas.
De repente, ese microbio intestinal ganó la capacidad de descomponer los carbohidratos únicos que se encuentran en el nori, y podría deleitarse con esta fuente exclusiva de energía que sus compañeros no podían usar. Hehemann descubrió que está lleno de genes cuyas contrapartes más cercanas existen en los microbios marinos en lugar de en otras especies intestinales. Al tomar prestados genes repetidamente de microbios marinos, se ha convertido en un experto en la digestión de vegetales marinos.
B. plebeius no está solo en ladrones de enzimas marinas. Los japoneses han estado comiendo nori durante tanto tiempo que sus microbios intestinales están salpicados de genes digestivos de especies oceánicas. Sin embargo, es poco probable que tales transferencias continúen: los chefs modernos asan y cocinan nori, incinerando cualquier microbio que haga autostop. Los comensales de siglos pasados solo lograron importar esos microbios en sus entrañas al comer las cosas crudas.
Luego pasaron sus microbios intestinales, ahora cargados con genes de porfirinasa que destruyen las algas marinas, a sus hijos. Hehemann vio signos de la misma herencia pasando hoy. Una de las personas que estudió fue una niña destetada, que nunca había comido un bocado de sushi en su vida. Y, sin embargo, su bacteria intestinal tenía un gen de porfirranasa, al igual que el de su madre. Sus microbios llegaron preadaptados para devorar nori.
Hehemann publicó su descubrimiento en 2010 y sigue siendo una de las historias de microbiomas más llamativas. Simplemente comiendo algas, los comensales japoneses de siglos pasados reservaron un grupo de genes digestivos en un viaje increíble de mar a tierra. Los genes se movieron horizontalmente de microbios marinos a intestinos, y luego verticalmente de un intestino a otro. Sus viajes pueden haber ido aún más lejos. Al principio, Hehemann solo pudo encontrar los genes para las porfiriasas en los microbiomas japoneses y no en los norteamericanos. Eso ahora ha cambiado: algunos estadounidenses claramente tienen los genes, incluso aquellos que no son de ascendencia asiática.
¿Cómo ocurrió eso? ¿ Saltó B. plebeius de las tripas japonesas a las americanas? ¿Los genes provienen de otros microbios marinos que se almacenan a bordo de diferentes alimentos? Los galeses e irlandeses han usado durante mucho tiempo las algas Porphyra para hacer un plato llamado laver; ¿Podrían haber adquirido porfiriasas que luego transportaron a través del Atlántico? Por ahora, nadie lo sabe. Pero el patrón "sugiere que una vez que estos genes lleguen al huésped inicial, donde sea que suceda, pueden dispersarse entre los individuos", dice Hehemann.
Este es un glorioso ejemplo de la velocidad de adaptación que confiere HGT. Los humanos no necesitan desarrollar un gen que pueda descomponer los carbohidratos en las algas marinas; Si tragamos suficientes microbios que puedan digerir estas sustancias, hay muchas posibilidades de que nuestras propias bacterias "aprendan" el truco a través de la HGT.
HGT depende de la proximidad, y nuestros cuerpos diseñan la proximidad a gran escala al reunir microbios en densas multitudes. Se dice que las ciudades son centros de innovación porque concentran a las personas en el mismo lugar, permitiendo que las ideas y la información fluyan más libremente. Del mismo modo, los cuerpos de los animales son centros de innovación genética, porque permiten que el ADN fluya más libremente entre las masas de microbios acurrucados. Cierra los ojos e imagina las madejas de genes que se abren paso alrededor de tu cuerpo, pasando de un microbio a otro. Somos mercados bulliciosos, donde los comerciantes de bacterias intercambian sus productos genéticos.
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Los cuerpos de los animales albergan tantos microbios que, ocasionalmente, sus genes llegan a nuestros genomas. Y a veces, estos genes otorgan a sus nuevos anfitriones con habilidades increíbles.
El escarabajo barrenador del café es una plaga que ha incorporado un gen bacteriano en su propio genoma, lo que permite que sus larvas digieran los exuberantes banquetes de carbohidratos en los granos de café. Ningún otro insecto, ni siquiera parientes muy cercanos, tiene el mismo gen ni nada parecido; solo las bacterias lo hacen. Al saltar a un antiguo barrenador del café, el gen permitió que este escarabajo sin pretensiones se extendiera por las regiones cafeteras de todo el mundo y se convirtiera en un verdadero dolor en el espresso.
Los agricultores, entonces, tienen razones para detestar el HGT, pero también razones para celebrarlo. Para un grupo de avispas, los braconidos, los genes transferidos han permitido una forma extraña de control de plagas. Las hembras de estas avispas ponen sus huevos en orugas aún vivas, que sus crías luego devoran vivas. Para echar una mano a las larvas, las hembras también inyectan a las orugas con virus, que suprimen sus sistemas inmunes. Estos se llaman bracovirus, y no son solo aliados de las avispas: son parte de las avispas. Sus genes se han integrado completamente en el genoma del braconido y están bajo su control.
¡Los bracovirus son virus domesticados! Dependen completamente de las avispas para su reproducción. Algunos podrían decir que no son verdaderos los virus lo son todo; son casi como secreciones del cuerpo de la avispa en lugar de entidades por derecho propio. Deben haber descendido de un virus antiguo, cuyos genes se introdujeron en el ADN de un braconido ancestral y se quedaron allí. Esta fusión dio lugar a más de 20, 000 especies de avispas braconidas, todas las cuales tienen bracovirus en sus genomas, una inmensa dinastía de parásitos que usan virus simbióticos como armas biológicas.
Otros animales han usado genes transferidos horizontalmente para defenderse de los parásitos. Las bacterias, después de todo, son la mejor fuente de antibióticos. Han estado en guerra unos con otros durante miles de millones de años y han inventado un extenso arsenal de armas genéticas para vencer a sus rivales. Una familia de genes, conocida como tae, produce proteínas que perforan agujeros en las paredes externas de las bacterias, causando fugas fatales. Estos fueron desarrollados por microbios para su uso contra otros microbios. Pero estos genes también han encontrado su camino en los animales. Los escorpiones, los ácaros y las garrapatas los tienen. Al igual que las anémonas de mar, las ostras, las pulgas de agua, las lapas, las babosas de mar e incluso la lanceta, un pariente muy cercano de los animales con látigo como nosotros.
La familia tae ejemplifica el tipo de genes que se propagan muy fácilmente a través de HGT. Son autosuficientes y no necesitan un elenco de apoyo de otros genes para hacer su trabajo. También son universalmente útiles, porque producen antibióticos. Todos los seres vivos tienen que lidiar con las bacterias, por lo que cualquier gen que permita a su propietario controlar las bacterias de manera más efectiva encontrará un empleo remunerado en todo el árbol de la vida. Si puede dar el salto, tiene una buena oportunidad de establecerse como una parte productiva de su nuevo host. Estos saltos son aún más impresionantes porque los humanos, con toda nuestra inteligencia y tecnología, luchamos positivamente para crear nuevos antibióticos. Estamos tan desconcertados que no hemos descubierto ningún tipo nuevo en décadas. Pero los animales simples como las garrapatas y las anémonas de mar pueden hacer las suyas, logrando instantáneamente lo que necesitamos muchas rondas de investigación y desarrollo, todo a través de la transferencia horizontal de genes.
Estas historias retratan a HGT como una fuerza aditiva, que infunde a los microbios y animales con nuevos y maravillosos poderes. Pero también puede ser sustractivo. El mismo proceso que otorga habilidades microbianas útiles a los receptores de animales puede hacer que los microbios se marchiten y decaigan, hasta el punto de desaparecer por completo y solo quedan sus legados genéticos.
La criatura que mejor ejemplifica este fenómeno se puede encontrar en invernaderos y campos de todo el mundo, para disgusto de los agricultores y jardineros. Es el cochinillo de los cítricos: un pequeño insecto chupador de savia que se parece a una hojuela de caspa o un cochinillo que ha sido espolvoreado con harina. Paul Buchner, ese erudito súper trabajador de los simbiontes, visitó al clan de las cochinillas en su gira por el mundo de los insectos. Para sorpresa de nadie, encontró bacterias dentro de sus células. Pero, más inusualmente, también describió "glóbulos mucilaginosos redondos o largos en los que los simbiontes están muy incrustados". Estos glóbulos languidecieron en la oscuridad durante décadas hasta 2001, cuando los científicos descubrieron que no eran solo casas para bacterias. Eran bacterias en sí mismas.
El citrus mealybug es una muñeca matryoshka viviente. Tiene bacterias viviendo dentro de sus células, y esas bacterias tienen más bacterias viviendo dentro de ellas. Errores dentro de errores dentro de errores. El más grande ahora se llama Tremblaya por Ermenegildo Tremblay, un entomólogo italiano que estudió con Buchner. La más pequeña se llama Moranella, por la luchadora de pulgones Nancy Moran. ("Es una especie de cosita patética que lleva tu nombre", me dijo con una sonrisa).
John McCutcheon ha resuelto los orígenes de esta extraña jerarquía, y es casi increíble en sus giros y vueltas. Comienza con Tremblaya, la primera de las dos bacterias en colonizar cochinillas. Se convirtió en un residente permanente y, como muchos simbiontes de insectos, perdió genes que eran importantes para una vida libre. En los acogedores confines de su nuevo anfitrión, podría permitirse el lujo de sobrevivir con un genoma más aerodinámico. Cuando Moranella se unió a esta simbiosis bidireccional, Tremblaya podía darse el lujo de perder aún más genes, con la seguridad de que la nueva llegada tomaría el relevo. Aquí, HGT tiene más que ver con la evacuación de genes bacterianos de un barco que zozobra. Conserva genes que de otro modo se perderían en la inevitable descomposición que afecta a los genomas simbiontes.
Por ejemplo, los tres socios cooperan para producir nutrientes. Para crear el aminoácido fenilalanina, necesitan nueve enzimas. Tremblaya puede construir 1, 2, 5, 6, 7 y 8; Moranella puede hacer 3, 4 y 5; y el cochinillo solo hace el noveno. Ni el cochinillo ni las dos bacterias pueden producir fenilalanina por sí mismas; dependen unos de otros para llenar los vacíos en sus repertorios. Esto me recuerda a las Graeae de la mitología griega: las tres hermanas que comparten un ojo y un diente entre ellas. Cualquier otra cosa sería redundante: su disposición, aunque extraña, todavía les permite ver y masticar. Así es con el cochinilla y sus simbiontes. Terminaron con una única red metabólica, distribuida entre sus tres genomas complementarios. En la aritmética de la simbiosis, uno más uno más uno puede ser igual a uno.
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El mundo que nos rodea es un depósito gigantesco de socios microbianos potenciales. Cada bocado podría traer nuevos microbios que digieren una parte previamente inquebrantable de nuestras comidas, o que desintoxican los venenos en un alimento previamente no comestible, o que matan a un parásito que previamente suprimió nuestros números. Cada nuevo compañero podría ayudar a su anfitrión a comer un poco más, viajar un poco más, sobrevivir un poco más.
La mayoría de los animales no pueden aprovechar estas adaptaciones de código abierto deliberadamente. Deben confiar en la suerte para dotarlos de los socios adecuados. Pero los humanos no estamos tan restringidos. Somos innovadores, planificadores y solucionadores de problemas. Y tenemos una gran ventaja de la que carecen todos los demás animales: ¡Sabemos que existen microbios! Hemos ideado instrumentos que pueden verlos.
Podemos cultivarlos deliberadamente. Tenemos herramientas que pueden descifrar las reglas que rigen su existencia y la naturaleza de sus asociaciones con nosotros. Y eso nos da el poder de manipular esas asociaciones intencionalmente. Podemos reemplazar las comunidades vacilantes de microbios por otras nuevas que conducirán a una mejor salud. Podemos crear nuevas simbiosis que combaten las enfermedades. Y podemos romper antiguas alianzas que amenazan nuestras vidas.
Del próximo libro CONTIGO MULTITUDES: Los microbios dentro de nosotros y una gran visión de la vida por Ed Yong. Copyright © 2016 por Ed Yong. Se publicará el 9 de agosto por Ecco, una impresión de HarperCollins Publishers. Reimpreso con permiso .
