Un Nuevo Modelo para la Dinámica Eco-Evolutiva

En el estudio de la biología, sobre todo en biología teórica y ecología, los investigadores buscan explicar cómo diferentes entornos afectan el crecimiento y los cambios en los ecosistemas. Los ambientes simples, donde no hay barreras geográficas, nos ayudan a entender cómo emergen y se agrupan distintas especies. Esta agrupación a menudo surge de la competencia por recursos limitados, como comida o espacio. La idea de los "Nichos" es muy importante aquí, refiriéndose a los roles específicos que diferentes especies juegan en un ecosistema.

Según la "hipótesis del nicho", la variedad de formas de vida, o biodiversidad, depende de la cantidad de nichos disponibles. Dado que ninguna especie puede ocupar el mismo nicho para siempre, una usualmente superará a la otra. La aptitud, que indica cuán exitosa es una especie en reproducirse, está influenciada por el entorno. Sin embargo, predecir la aptitud puede ser complicado, incluso en condiciones controladas. La evolución de especies diversas es difícil de modelar debido a la complejidad de los ecosistemas, las numerosas variables involucradas y eventos impredecibles.

Para enfrentar estos desafíos, los investigadores han introducido nuevas herramientas para investigar y probar modelos eco-evolutivos. Se han desarrollado varios sistemas biológicos sintéticos que utilizan diferentes enfoques para estudiar estas interacciones. Por ejemplo, un modelo analiza detenidamente cómo una larga cadena de RNA evoluciona bajo presiones selectivas relacionadas con su función biológica. Aunque este enfoque simplifica el sistema, sigue siendo complejo con todos los componentes biológicos involucrados.

La mayoría de los sistemas de biología sintética se enfocan en crear estructuras similares a células con procesos biológicos intrincados. Sin embargo, algunos han comenzado a estudiar la competencia entre moléculas simples en entornos no biológicos más controlados. Estos estudios muestran que los conceptos tradicionales de evolución, como la competencia por recursos, también pueden aplicarse a sistemas no biológicos.

#Nuestro Modelo Eco-Evolutivo Sintético

Proponemos un nuevo modelo para estudiar los procesos eco-evolutivos que evita las complejidades de los sistemas similares a células. Nuestro enfoque utiliza un gran número de hebras de ADN únicas hechas de 50 bases. Estas hebras existen en un entorno donde compiten por recursos fijos e interactúan entre sí. El enfoque principal es cómo la selección natural y la competencia llevan a la aparición de especies dominantes con el tiempo.

En nuestro estudio, analizamos hebras de ADN de secuencias aleatorias. Esto asegura que cada hebra de ADN sea única desde el principio. La supervivencia de estas hebras depende de su capacidad para unirse a un tipo específico de recurso, que analizamos usando conocimientos de interacciones de ADN. El objetivo es controlar algunas variables clave que pueden influir en el destino del ecosistema en general, todo mientras eliminamos la importancia biológica de las secuencias de ADN.

Los resultados de nuestro estudio demuestran un vínculo estrecho entre la aptitud y las Interacciones Ecológicas. Esto se suma al creciente cuerpo de investigación que muestra que los procesos ecológicos y evolutivos están interrelacionados en cómo las especies emergen y persisten.

#Evolución Sintética de ADN Basada en Afinidad

Introducimos un método llamado Evolución Sintética de ADN Basada en Afinidad (ADSE) para estudiar cómo evolucionan las hebras de ADN en un entorno de laboratorio. En los experimentos tradicionales, se seleccionan hebras de ADN en función de sus interacciones con proteínas objetivo. En nuestro método, usamos perlas magnéticas que llevan secuencias cortas de ADN como objetivos, lo que nos permite seleccionar hebras puramente en función de su secuencia de ADN y su capacidad para complementar los objetivos.

Este enfoque difiere enormemente de los protocolos estándar, que dependen del arreglo estructural de las hebras de ADN y las proteínas involucradas. En ADSE, el enfoque está en la fuerza de unión de las hebras de ADN a los recursos. Este cambio nos permite analizar la evolución en un montaje experimental simple.

En nuestro método ADSE, las poblaciones de hebras de ADN, llamadas "individuos de ADN" (DNAi), pasan por varios ciclos de selección y amplificación. El proceso comienza con una población diversa de hebras de ADN, donde la selección ocurre a través de la unión a los recursos en las perlas magnéticas. Tras la unión, las hebras de ADN seleccionadas se amplifican para formar la siguiente generación, y una pequeña porción de estas hebras se secuencia para monitorear cambios a lo largo del tiempo.

#Evolución del Ecosistema de ADN

A través de nuestro método ADSE, observamos cambios significativos en el ecosistema de ADN a través de las generaciones. Rastrear el número de secuencias de ADN distintas revela una disminución en la diversidad, ya que muchas secuencias originales se extinguen. Mientras tanto, la población de las secuencias de ADN más abundantes crece, indicando que solo unas pocas secuencias dominan con el tiempo.

Además, medimos la fuerza de unión de las hebras de ADN a sus objetivos a través de generaciones. Esta fuerza de unión tiende a saturarse, lo que sugiere que más allá de cierto punto, una mayor afinidad de unión no aporta beneficios adicionales para la supervivencia.

La evolución de las hebras de ADN no se trata solo de la fuerza de unión; también involucra interacciones propias e interacciones mutuas entre diferentes hebras de ADN. A medida que avanza la evolución, se vuelve evidente que un complejo juego de factores influye en qué secuencias sobreviven y prosperan.

#Dinámica de Aptitud y Selección

La aptitud, o el éxito de una hebra de ADN en el modelo ADSE, es multifacética. Mientras que una fuerte unión a los recursos inicialmente juega un papel dominante, otros factores entran en juego con el tiempo. Las interacciones propias, que describen cómo una hebra de ADN se une a sí misma, y las interacciones mutuas, que se refieren a cómo diferentes hebras de ADN interactúan entre sí, afectan significativamente la supervivencia.

A medida que avanzan las generaciones, notamos que las hebras más exitosas no siempre son las que tienen las afinidades de unión más fuertes. Algunas hebras pueden tener interacciones débiles pero sobresalen gracias a su capacidad para formar interacciones beneficiosas con otras hebras. Esto revela que la presión de selección no se centra únicamente en la unión a recursos, sino más bien en una combinación de ventajas competitivas y estabilidad estructural.

#Patrones de Interacción Entre las Hebras de ADN

A lo largo del proceso evolutivo, estudiamos cómo diferentes secuencias de ADN interactúan entre sí. Estas interacciones pueden llevar a varios resultados: algunas pueden promover la supervivencia, mientras que otras pueden resultar en fracaso. Por ejemplo, ciertas hebras de ADN forman homodímeros, lo que les permite participar en la unión a doble recurso, lo que puede mejorar su aptitud general.

Además, identificamos situaciones en las que las hebras de ADN establecen relaciones parasitarias, donde una hebra se beneficia a expensas de la otra. Esto conduce a dinámicas variadas a medida que diferentes hebras compiten por sobrevivir, proporcionando un rico tapiz de interacciones que dan forma al paisaje evolutivo.

#El Papel del Entorno en la Evolución

El camino evolutivo del ecosistema de ADN resalta la importancia de los factores ambientales. La evolución ocurre en un contexto controlado con recursos fijos, lo que moldea cómo se desarrollan las especies. A pesar de la estabilidad de los recursos, las variaciones que surgen de las interacciones entre diferentes hebras llevan a cambios inesperados en la dinámica poblacional.

Esto sugiere que incluso en un entorno simplificado, los procesos evolutivos están influenciados por las relaciones entre organismos. La dinámica de competencia y selección cambia a lo largo de las generaciones, insinuando una comprensión más amplia de la aptitud más allá de la simple abundancia de recursos.

#Conclusión: Perspectivas Obtenidas del ADSE

El modelo ADSE ofrece valiosas perspectivas sobre la naturaleza de la aptitud y las complejidades de las dinámicas eco-evolutivas. Demuestra que una variedad de factores, incluida la fuerza de unión, la estabilidad de las interacciones propias y la naturaleza de las interacciones mutuas, contribuyen a la supervivencia de las especies dentro de un ecosistema.

Los cambios observados a lo largo de las generaciones proporcionan un marco para entender cómo la competencia moldea los caminos evolutivos. Aunque nuestro sistema es simplificado, las complejidades de las interacciones entre las hebras de ADN reflejan las dinámicas presentes en los ecosistemas naturales, subrayando la interacción de la competencia y la cooperación.

A medida que continuamos investigando este modelo, los hallazgos podrían llevar a una comprensión más profunda de los principios que rigen la evolución y los factores que influyen en la biodiversidad en entornos ecológicos más complejos.