Darwin Devolves, de Michael Behe, se lanzará en febrero, y permitirá a los lectores distinguir entre las capacidades reales de la evolución, basados en datos sólidos, y las representaciones míticas de las mismas con poderes creativos ilimitados. Sin embargo, lo que no debe pasarse por alto es cómo otros avances en la ciencia están reafirmando los argumentos de los libros anteriores de Behe. Por ejemplo, cada vez más pruebas sólidas de la biología celular y matemática sugieren que los modelos evolutivos son inadecuados para comprender los orígenes de la complejidad irreductible. En particular, el argumento de que el flagelo bacteriano puede explicarse mediante la exaptación se ha visto totalmente desacreditado por los avances en la investigación de su proceso de ensamblaje, junto con los cálculos en los plazos requeridos para la llegada de nuevas proteínas.

La exaptación como conjuro mágico

Nicholas Matzke desarrolló uno de los intentos más populares para explicar el flagelo a través de la exaptación. Resumió su escenario de la siguiente manera:

(1) Existe una gran posibilidad, previamente no reconocida, de homologías adicionales entre el aparato de exportación de tipo III y la sintasa F1F0-ATP. (2) Gran parte de la complejidad del flagelo evolucionó después de que existiera una motilidad cruda, a través de duplicaciones de genes internos y subfuncionalización. (3) Solo se necesita invocar un cambio importante de función a nivel de sistema y cuatro cambios menores de función para explicar el origen del flagelo. Esto involucra cinco eventos de exaptación a nivel de subsistema. (4) La transición entre cada etapa se puede salvar mediante la evolución de un único sitio de enlace nuevo, acoplando dos subsistemas preexistentes, seguido de la optimización coevolutiva de los componentes. Por lo tanto, como el ojo contemplado por Darwin, un análisis cuidadoso muestra que no hay obstáculos importantes para la evolución gradual del flagelo.

La narrativa de Matzke consiste en gran medida en identificar similitudes entre las proteínas flagelares y otras proteínas procarióticas, complementadas con narraciones creativas, al igual que con el ojo. En particular, la exaptación se invoca no tanto como una explicación científica, que incluye detalles sustanciales, sino más bien como un tropo cómodo pero no confirmado. Tan pronto como tales reclamos son arrastrados al mundo real, se revelan completamente inverosímiles.

Bienvenidos a la realidad

Apreciar los obstáculos evolutivos relevantes requiere atención a los detalles del ensamblaje flagelar. Una breve descripción puede ser útil aquí. Un flagelo consta de tres componentes principales: el cuerpo basal que se encuentra en la membrana celular, el gancho que se extiende más allá de la membrana celular externa y el filamento que actúa como una hélice. El cuerpo basal incluye varios subcomponentes:

  • Una serie de anillos de apoyo que se adhieren a la membrana celular.
  • Un motor compuesto por un estator que se une a la membrana celular y un rotor que gira. El motor deriva su poder del gradiente de protones que existe a través de la membrana celular.
  • Una varilla que transmite potencia al gancho y al filamento.
  • Una puerta de transporte que envía proteínas a través del canal central del motor para ensamblar estructuras externas a la célula.

El montaje flagelar incluye los siguientes pasos:

  1. Las proteínas del cuerpo basal se autoensamblan en orden metódico para formar diferentes subcomponentes, incluida la puerta de transporte.
  2. Las chaperonas se adhieren a proteínas flagelares clave para protegerlas de la degradación. También las envían a un complejo que inserta las proteínas en la puerta de transporte.
  3. La compuerta de transporte envía proteínas de tapa de barra a través del canal, y forman la herramienta de ensamblaje de barra. Las proteínas de la barra luego se dejan pasar, y la tapa de la barra las ensambla en la estructura de la barra.
  4. En un proceso similar, la herramienta de tapa de gancho se forma y luego ensambla la estructura de gancho.
  5. Una vez completado el ensamblaje del gancho, una unión de gancho-filamento compuesta por dos proteínas se ensambla automáticamente.
  6. Una herramienta de tapa de filamento forma y ensambla la estructura del filamento.

Cada paso en el proceso se cronometra meticulosamente a través de una compleja red reguladora de genes flagelares e interacciones de proteínas. Por ejemplo, en muchos flagelos, una proteína conocida como FliK controla la longitud del gancho en desarrollo. Una vez que el gancho es lo suficientemente largo, FliK envía una señal a la puerta de transporte para que deje de enviar la proteína del gancho y comience a enviar las proteínas que ensamblan las siguientes estructuras. Si algún paso importante en todo el proceso procede de manera incorrecta, los controles de realimentación indican que el ensamblaje debe cesar. La comprensión de estos detalles nos permite evaluar adecuadamente la plausibilidad de las explicaciones evolutivas del origen del flagelo.

Haciendo los cálculos

Los escenarios de Matzke y otros se basan en la suposición de que la mayoría de las proteínas flagelares se originaron a partir de la duplicación de un gen que codifica una proteína existente. Ese gen luego se sometió a una serie de mutaciones para generar una nueva proteína flagelar. Este proceso de duplicación y modificación de una nueva función se llama cooperación. La pregunta clave es cuánto tiempo habría sido necesario para que múltiples eventos de coopción acumulen en una sola bacteria todas las proteínas necesarias.

Algunas de las investigaciones más relevantes relacionadas con escalas de tiempo evolutivas se realizaron a través del Programa de Dinámicas Evolutivas de Harvard e IST Austria. Publicaron un artículo clave que presenta dos conclusiones cruciales:

  1. El tiempo esperado requerido para una búsqueda aleatoria para encontrar un miembro de un conjunto de secuencias objetivo (por ejemplo, secuencias de nucleótidos correspondientes a un gen funcional) de longitud L aumenta exponencialmente con L.
  2. El tiempo esperado requerido para encontrar un objetivo a partir de una secuencia de inicio que está a «unos pocos pasos del conjunto objetivo» es el mismo que para una secuencia de inicio que se elige aleatoriamente.

La segunda conclusión puede entenderse por el hecho de que casi todos los cambios aleatorios en una secuencia de prueba inicial cercana a un objetivo alejarían las pruebas tempranas del objetivo. La búsqueda debería explorar el espacio de la secuencia completa al igual que con una secuencia aleatoria inicial. En el contexto del proceso de exaptación, el tiempo requerido para que una copia de una proteína preexistente con alguna similitud de secuencia con una proteína flagelar evolucione hacia esta última es tan largo como para que la proteína flagelar evolucione desde una secuencia aleatoria. Por lo tanto, el cálculo del tiempo de espera mínimo esperado para la llegada de una nueva proteína a través de la exaptación equivale al tiempo de una secuencia aleatoria inicial para encontrar una diana de proteína según el modelo del estudio de Harvard.

Para cualquier explicación evolutiva del origen de una adaptación compleja, estos hallazgos resultan extremadamente problemáticos. Unos pocos cálculos directos resaltarán la magnitud del problema. Los experimentos con proteínas en una variedad de especies demuestran que 1 de cada 3 mutaciones los inactivará completamente. A la inversa, si se permitiera que un aminoácido en una ubicación específica en una proteína (por ejemplo, el tercero desde el final) cambie a cualquier otro aminoácido o permanezca igual, 2/3 de los aminoácidos en promedio corresponderían a una proteína. Este resultado permite el cálculo de la posibilidad de que una secuencia aleatoria de longitud L en la región alrededor de la de una proteína existente produzca una versión modificada de esa proteína que todavía estaba operativa. La probabilidad máxima puede derivarse del teorema del valor medio de Cauchy para obtener un límite superior de 2/3 a la potencia de L, P (L) <(2/3) L.


Una estimación irrealmente alta

En realidad, esta estimación es demasiado alta ya que las proteínas funcionales existentes son bastante robustas para cambiar. Son más resistentes a las mutaciones que las proteínas que están en transición y aún no están optimizadas para su nueva función. Estas proteínas de transición se mueven a través de los márgenes de sus paisajes de aptitudes, por lo que serán apenas activas. La «aptitud física de las proteínas» de una proteína natural disminuye exponencialmente con el número de mutaciones adquiridas, por lo que las secuencias de proteínas apenas activas superan en gran medida a las optimizadas. Esta conclusión ha sido demostrada empíricamente por numerosos experimentos.

Además, encontrar el camino hacia una nueva función, si se requieren más de unos pocos cambios, es casi imposible. La mayoría de las conversiones a nuevas funciones que se han demostrado en el laboratorio involucran ya sea a) proteínas que ya comparten una función superpuesta, o b) esfuerzo considerable del investigador para efectuar el cambio. Exaptar una proteína existente para una nueva función flagelar requiere cambios significativos más allá de lo que se ha logrado en cualquier laboratorio. Dicha evidencia experimental demuestra además que la estimación derivada de la rareza proteica es demasiado optimista. Así que solo resalta las terribles implicaciones de los estudios de escala de tiempo de Harvard, como se demostrará.

El artículo de escala de tiempo deriva el número de pistas requeridas para que una secuencia que cambia aleatoriamente encuentre con éxito un objetivo de «pico amplio» donde el éxito se define como al menos la mitad de una secuencia de prueba que coincide con un centro objetivo (por ejemplo, 500 de 1000 nucleótidos en un gen) que coincida con una secuencia central específica). Cada aminoácido en una proteína corresponde a un conjunto de tres nucleótidos (codón) en su gen, pero el tercer nucleótido es típicamente redundante. Por lo tanto, la longitud de una secuencia de búsqueda correspondiente a la secuencia de aminoácidos codificada puede estimarse conservativamente como el doble del número de aminoácidos. Esta estimación podría subestimar en gran medida la rareza, ya que los experimentos con proteínas de Drosophila determinaron que el 95 por ciento de las mutaciones de los dos primeros nucleótidos en un codón son perjudiciales. Tenga en cuenta que esta suposición también favorece tiempos de búsqueda más bajos (es decir, número de intentos).

Usando esta estimación, las posibilidades en el modelo computacional del artículo de un ensayo aleatorio para encontrar el objetivo son mayores que la probabilidad de que la secuencia de aminoácidos correspondiente forme una proteína funcional. La probabilidad anterior se estimó utilizando la aproximación normal a la distribución binomial, y la última es igual a la ecuación derivada anteriormente de los estudios de mutación. Como ejemplo, el porcentaje de secuencias objetivo en el espacio de búsqueda del modelo, donde L = 1000, es 1 en 1074, mientras que el límite superior al porcentaje de proteínas funcionales en el espacio de búsqueda de aminoácidos es (2/3) 500 = 1 en 1088. Para este ejemplo, el modelo estima que las proteínas funcionales son cien billones de veces más probables que las estimadas por la ecuación derivada, que ya sobrestima en gran medida las probabilidades reales. Como consecuencia, los resultados numéricos del estudio de Harvard subestiman significativamente las escalas de tiempo reales requeridas para generar nuevas proteínas.

A pesar de este sesgo, el artículo informa para L = 1000 que el número promedio de ensayos necesarios para encontrar el objetivo supera los 1065. En consecuencia, las posibilidades de que un organismo desarrolle una nueva proteína de longitud comparable (500 aminoácidos) en toda la historia de la Tierra son mucho menos de 1 posibilidad en un billón de billones. Además, los datos numéricos sobre el crecimiento exponencial de las escalas de tiempo se pueden interpolar para demostrar que la posibilidad de que aparezca una proteína nueva mucho más larga que 250 aminoácidos sería minúscula.


Aquí está el desafío

Como ya se mencionó, el paso evolutivo único de agregar el filamento flagelar requiere la creación de los genes para el filamento (FliC), la tapa de ensamblaje (FliD) y las dos proteínas conjuntas (FlgK y FlgL) junto con los genes. regiones reguladoras. La tapa no es esencial en un grupo especial de bacterias, pero se cree que fue esencial en el hipotético ancestro común de todos los flagelos. Cada una de estas proteínas está tan especializada por su papel en la construcción de filamentos que no podría servir para ningún otro propósito celular.

Ahora se puede evaluar la adición del filamento a una escala de tiempo mínima requerida. El número de aminoácidos asociados con cada proteína es el siguiente: FliC – 498, FliD – 468, FlgK – 547, FlgL – 317. Todas sus longitudes exceden el límite para un objetivo que se pueda encontrar en toda la historia de la Tierra , y la mayoría excede el límite significativamente. Para agravar el desafío, todas las proteínas son necesarias antes de que el filamento pueda ensamblarse correctamente, lo que aumenta dramáticamente la disparidad entre el tiempo de espera disponible y el tiempo requerido.

A la inversa, uno podría comenzar suponiendo que las cuatro proteínas podrían formarse en unos pocos miles de millones de años. El hecho de que las escalas de tiempo crezcan exponencialmente con el número de proteínas coordinadas limitaría el tiempo promedio para la aparición de una proteína individual en estudios de laboratorio estándar de microorganismos a menos de una década y en la naturaleza a menos de un día. Este resultado claramente no coincide con la realidad ya que no existe evidencia de que alguna nueva proteína haya aparecido recientemente en ninguna especie.

El artículo de Harvard no es único en cuanto a socavar prácticamente todas las posibilidades de evolución para generar adaptaciones complejas. Un análisis completamente diferente realizado por Doug Axe demostró que el número máximo de mutaciones coordinadas (es decir, todas son neutrales hasta que aparece la última) que podrían acumularse en cualquier organismo es de seis. Por lo tanto, no solo resultaría inviable el origen de una nueva proteína, sino que incluso integrar adecuadamente la región reguladora de un solo gen flagelar en el proceso de ensamblaje sería extremadamente problemático. Como consecuencia, agregar matemáticamente solo el filamento a través de la evolución no dirigida es matemáticamente inverosímil.


Primera Regla de Adaptación

Los desafíos para la evolución del filamento flagelar son en realidad mucho mayores que los descritos. La adición de cualquier combinación de las proteínas necesarias al genoma resulta en una desventaja selectiva hasta que las cuatro llegan con regiones de control regulador adecuadamente coordinadas. Por ejemplo, si las proteínas de la tapa del filamento, la junta o el ensamblaje no estuvieran disponibles de manera precisa cuando fuera necesario, la estructura del filamento no se ensamblaría. Además, cualquier proteína que no se fabrique en el momento correcto fallaría en ingresar a la puerta de transporte o ingresaría en el momento equivocado e interferiría con el ensamblaje de otras partes. En todos estos casos, la célula desperdiciaría recursos, resultando en una desventaja selectiva. El resultado sería que las mutaciones deshabiliten rápidamente y eventualmente eliminen los genes asociados a filamentos existentes como se describe en la Primera Regla de Adaptación de Behe. Todo el proceso tendría que comenzar de nuevo desde cero.

Como consecuencia, todos los genes tendrían que aparecer y ser completamente operativos muy rápidamente. De lo contrario, las mutaciones degradativas comenzarían a apoderarse de la población en un período de meses, como lo demuestran los datos experimentales sobre E. coli bajo presión selectiva. O, si el filamento existiera antes del gancho, la trayectoria de desarrollo del gancho se enfrentaría a obstáculos igualmente desalentadores. Y, lo mismo es válido para la mayoría de los otros pasos evolutivos.

Toda la evidencia apunta a la conclusión de que la formación del flagelo requiere que vastas cantidades de nueva información genética (por ejemplo, nuevos genes funcionales) aparezcan en un instante geológico, mientras que el tiempo requerido para que cualquier proceso no dirigido genere la cantidad necesaria excedería la edad de el universo por cientos de órdenes de magnitud. Obstáculos insuperables similares se enfrentan a la gran mayoría de los intentos de invocar la exaptación para explicar otras innovaciones irreduciblemente complejas. A medida que avanza la investigación en biología, los desafíos que enfrenta la explicación de la exaptación parecen ser cada vez más difíciles.

Artículo publicado originalmente en inglés por Brian Miller Ph.D.

Imagen: motor flagelar bacteriano, desde Unlocking the Mystery of Life, Illustra Media.