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Experimentos realizados durante 21 anos por pesquisadores da Michigan State University obtiveram resultados em laboratório que refletem a essência do processo evolutivo, e podem resultar em avanços biotecnológicos e de pesquisa médica.  O projeto, coordenado por Richard Lenski, envolveu a análise de 40.000 gerações sucessivas da bactéria Escherichia coli, e foi publicado na edição da revista Nature de 18 de outubro.

As culturas de E. coli começaram a ser “criadas” em 1988. O grupo de Lenski considerou que se as bactérias sofressem alguma mutação que as tornassem mais aptas a competir por nutrientes, deveriam dominar toda a cultura das bactérias. Desta maneira, o grupo coordenado por Lenski analisou o genoma de gerações e gerações de E. coli. O interessante é que em 1988 as tecnologias genômicas, como de análise de DNA utilizando a reação de polimerização em cadeia (PCR), ainda não estavam disponíveis. Com isso, os pesquisadores tiveram que congelar milhares de frascos contendo bactérias para que um dia pudessem analisar seus genomas de maneira completa.

Após o surgimento das ferramentas genômicas, os autores iniciaram a análise do genoma das bactérias. E verificaram que por volta da geração 20.000 haviam ocorrido 45 mutações a partir da linhagem original de E. coli. Algumas destas mutações haviam conferido vantagens adaptativas às bactérias, como previsto pela teoria da evolução pela seleção natural de Charles Darwin. A questão que o grupo de Lenski queria responder era como as taxas de mutação no genoma bacteriano promoviam o surgimento de características que tornavam as bactérias melhor adaptadas ao seu ambiente.

Círculos azuis indicam o número total de mudanças genômicas com relação à linhagem ancestral em cada um dos clones amostrados. A linha azul representa um modelo no qual as mutações se acumulam uniformemente ao longo do tempo. As curvas azuis claras estabelecem o intervalo de confiança de 95% para o modelo linear. Quadrados verdes mostram o melhoramento médio da capacidade adaptativa populacional com relação à sua geração ancestral, ao longo do tempo. A curva verde é um ajuste linear e hiperbólico desta trajetória. Cada estimativa de melhoria da capacidade adaptativa é tomada como uma média de três experimentos. Quanto mais os pontos estão longe da curva de trajetória, maior é a incerteza estatística inerente das medidas realizadas. A caixa menor ilustra o número de mutações no clone da 40.000^a geração. A curva pontilhada reflete a mudança ao longo do tempo de evolução genômica depois que um fenótipo mutado surgiu por volta da geração 26.500. Figura extraída da página da revista Nature, que é autorizada para propósitos educacionais.

De acordo com Lenski, a combinação de evolução genômica e adaptativa é um processo complexo. Segundo o estudo realizado, o genoma de E. coli evoluiu a uma taxa surpreendentemente constante, mesmo quando a capacidade de adaptação das bactérias parecia estar diminuindo. De um momento para outro as taxas de mutação aumentaram significativamente, e surgiu uma nova dinâmica do processo de evolução. Uma mutação que surgiu no metabolismo do DNA por volta da geração 26.000 causou um aumento na taxa de mutação de outras partes do genoma de E. coli. Por volta da geração 40.000, a taxa de mutações por geração alcançou o número de 653, mas os autores verificaram que muitas das últimas mutações que surgiram não foram benéficas. Desta maneira, os pesquisadores estabeleceram um paralelo entre os resultados observados no seu estudo com a replicação do DNA humano, a qual é muito acelerada em células pré-tumorais, levando a uma taxa de mutações muito alta e à formação de células cancerígenas. O mesmo acontece durante infecções por microrganismos, que a partir de um determinado ponto de crescimento no tecido infectado começam a se desenvolver em taxas muito altas, e agravam o quadro infeccioso. O estudo também necessitou o desenvolvimento de métodos computacionais para descobrir e validar mutações complexas.

Os resultados obtidos podem ser de extrema utilidade em processos biotecnológicos, nos quais é necessário melhorar o desempenho e a produtividade de linhagens microbianas de utilização industrial.

O artigo “Genome evolution and adaptation in a long-term experiment with Escherichia coli, de Jeffrey E. Barrick, Dong Su Yu, Sung Ho Yoon, Haeyoung Jeong, Tae Kwang Oh, Dominique Schneider, Richard E. Lenski,  Jihyun F. Kim, Nature, no prelo (2009), pode ser visualizado aqui, para quem tem acesso à assinatura da revista. Este artigo foi também divulgado no ScienceDaily.

Categorias:ciência, educação, evolução, informação

Tags:Darwin, E coli, evolução, genoma, mutação, seleção natural