Nota del redactor. El nilón es un producto moderno, sintético, que se emplea, como cosa más conocida, en la fabricación de medias para señoras, pero también en una gran diversidad de otros productos, como cordaje para paracaídas hasta neumáticos para automóviles. La nilonasa es un popular icono evolucionista esgrimido, entre otros, por el evolucionista-teísta Dennis Venema. En una serie de tres artículos, la biólogo del Instituto Discovery Ann Gauger examina este icono con detenimiento.
Un problema significativo para la historia neodarwinista es el origen de la nueva información biológica. Lo que está claro es que la información ha aumentado a lo largo de la historia de la vida —han ido apareciendo nuevas formas de vida, lo que exige nuevos genes, nuevas proteínas, y otra información funcional. La cuestión es: ¿cómo sucedió? Esta es la cuestión central en lo que se refiere al origen de las formas vivas.
Stephen Meyer y Douglas Axe han enunciado esto fuertemente:
[E]l mecanismo neodarwinista -con su dependencia de una búsqueda mutacional aleatoria para generar nuevas secuencias genéticas- no es un mecanismo adecuado para producir la información necesaria incluso para un nuevo plegamiento de proteínas, y mucho menos una nueva forma animal, en todo el tiempo evolutivo.
Su formulación está basada en el descubrimiento experimental de Doug Axe de que los pliegues proteínicos funcionales son sumamente raros, ocurriendo solo 1 vez en 1077 secuencias diferentes, lo que significa que todas las criaturas de la tierra buscando durante toda la edad de la tierra mediante mutaciones al azar no podrían encontrar ni siquiera un pliegue de una proteína de tamaño medio.
En cambio, Dennis Venema, profesor de biología en la Universidad Trinity Western, afirma en su libro Adam and the Genome y en artículos aparecidos en el sitio web de BioLogos que la consecución de nueva información no es cosa difícil. En su libro presenta diversos ejemplos que él cree demuestran la aparición de nueva información — la aparente evolución de nuevos sitios de enlace en proteínas, por ejemplo. Pero la mejor manera de poner de manifiesto la insensatez de Axe y Meyer, cree él (y así lo dice en su libro y en un artículo aparecido en BioLogos) sería demostrar que la evolución de una proteína genuinamente «nueva» es posible.
…[A]ún más convincente … sería un ejemplo real de una proteína funcional que viniera a existir a partir de cero — contemplar, por así decirlo, «el acto mismo» de la formación de una proteína novedosa. Y conocemos un ejemplo así: la formación de una enzima que descompone una sustancia química elaborada por el hombre.
En la década de los 1970s, unos investigadores realizaron un sorprendente descubrimiento: una bacteria que puede digerir nilón, un producto químico sintético que no existe en la naturaleza. Estas bacterias vivían en estanques de aguas residuales de plantas químicas, y podían usar el nilón como su única fuente de alimentación. Pero para este tiempo, el nilón tenía una historia de sólo 40 años. ¿Cómo se habían adaptado estas bacterias a este novedoso producto químico en su ambiente con tanta rapidez? Curiosos, los científicos procedieron a investigar. Lo que descubrieron fue que las bacterias poseían una enzima (que llamaron nilonasa) que digería esta sustancia química de manera eficaz. Esta enzima, cosa interesante, había surgido de cero como una mutación por inserción en la secuencia de codificación de otro gen. Esta inserción formó simultáneamente un codón de «paro» ya en las primeras secuencias en el gen original (un codón que manda al ribosoma que deje de añadir aminoácidos a una proteína) y formó un codón nuevo de «inicio» en un diferente marco de lectura. El nuevo marco de lectura transcurría por 392 aminoácidos antes del primer codón de «paro», y producía una gran y novedosa proteína. Como en el ejemplo que hemos presentado más arriba, esta nueva proteína estaba basada en diferentes codones debido al cambio de marco de lectura. Tenemos algo verdaderamente «de novo» — una nueva secuencia.
Y Venema tiene razón. Si es cierto que la enzima de la nilonasa verdaderamente evolucionó a partir de una proteína con cambio de marco de lectura, esto sería una demostración genuina de que la evolución de nuevas proteínas es fácil. Sería una prueba positiva de que los proponentes del diseño inteligente están equivocados, que no es difícil conseguir una nueva proteína a partir de una secuencia al azar. Pero esta historia merece ser reexaminada. ¿Es la nueva proteína verdaderamente producto de un cambio de marco de lectura, o preexistía a la introducción del nilón en el medio ambiente? ¿Qué es lo que exactamente sabemos acerca de esta enzima? ¿Están las afirmaciones de Venema y otros fundamentadas en evidencia, o acaso la evidencia lleva a otras conclusiones?
Primero, retrocedamos en la historia. En la década de los 1970s, unos científicos japoneses descubrieron que ciertas bacterias habían desarrollado la capacidad de degradar el polímero sintético nilón. Okada et al. identificaron tres enzimas responsables de la degradación del nilón, y las designaron EI, EII y EIII. Los genes que los codificaban fueron designados nylA, nylB y nylC. Procedieron a secuenciar el plásmido en el que se encontraron los genes, y descubrieron que había otro gen en el mismo plásmido que era muy parecido al nylB; lo designaron nylB′. (Nos concentraremos en la historia del nylB y del nylB′ porque son los que interesan para la narrativa de Venema.)
Hasta ahora lo que he presentado son los hechos. Ahora paso a dar la interpretación de esos hechos. Algunos afirmaron que la enzima nilonasa, como se la llamaba, se había originado algún tiempo después que los humanos comenzaron a elaborar nilón (en la década de los 1930s). Esto parecía verosímil, porque la nilonasa era incapaz de degradar enlaces amida de la naturaleza —sólo podía degradar los enlaces amida en el nilón— y por ello, se creía, no había existido con anterioridad. La conclusión popular era que la actividad de la nilonasa evolucionó como respuesta a la presencia del nilón en el medio ambiente, y que por ello tenía sólo cuarenta años de existencia. Y aquí tenemos el gran salto interpretativo: no debe ser difícil conseguir nuevas enzimas si una de nueva puede evolucionar dentro de un período de cuarenta años.
Okada et al. habían secuenciado los genes que codificaban nylB y nylB′. Concluyeron que la actividad de la nilonasa era resultado de una duplicación génica seguida de varias mutaciones en el gen nylB. Pero, entonces, Susumu Ohno, un eminente genetista molecular y biólogo evolutivo, observó algo inusual acerca de la secuencia del gen nylB (Ohno, 1984). Ohno propuso una teoría de que el ADN con repeticiones de un tipo adecuado tenía el potencial para codificar proteína en marcos múltiples, sin codones de paro para interrupción, y podrían ser con ello una fuente para «nuevas» proteínas. (Si el lector no está familiarizado con los términos que acabo de usar, lo invito a leer mi próximo artículo, en el que explicaré los conceptos necesarios. Para los que ya están familiarizados con la terminología, presentó algunos datos relevantes acerca de la rareza de las secuencias que pueden experimentar un cambio de marco de lectura.)
Ohno observó que nylB, el gen para la nilonasa, podría haber codificado originalmente alguna otra cosa si se eliminaba una cierta T. El gen de la nilonasa como existe actualmente tene 1179 bases, que codifican una proteína de 392 aminoácidos. Pero sin una determinada T incorporada en el codón de inicio ATG, la secuencia habría especificado un hipotético gen original con un marco abierto de lectura (ORF) más largo de 427 aminoácidos, en un marco diferente. Así, Ohno proponía que una «nueva» proteína con una nueva función que actuaba sobre un nuevo sustrato nació cuando se insertó una T entre una determinada A y una G en el ADN, constituyendo un nuevo codón de inicio ATG y desplazando el marco de lectura para codificar para una nueva proteína, la proteína que ahora llamamos nilonasa.
Ingenioso. Según Ohno, la nilonasa podría ser una nueva enzima, apareciendo de repente sin precursores conocidos por vía de un repentino desplazamiento del marco de lectura. (Observemos que todo esto supone que los nuevos pliegues de proteínas son fáciles de conseguir.) Ohno publicó esta hipótesis en Proceedings of the National Academy of Sciences. Pero se trataba sólo de una hipótesis, como una cuidadosa lectura de su artículo pone en evidencia. Un encabezamiento, por ejemplo:
La Secuencia de Codificación R-IIA [nylB] para 6-AHA LOH [nilonasa] Incorpora un Marco Abierto de Lectura Alternativo Más Largo que Podría haber sido la Secuencia Codificante Original [Énfasis añadido.]
y el texto dice:
Sugiero que la secuencia de base RS-IIA [nylB] fue originalmente una secuencia codificante para una cadena polipeptídica rica en arginina de alrededor de 427 resíduos de longitud y que la secuencia codificante para una de las dos formas isozímicas de 6-ALA LOH [nilonasa] surgió de su marco abierto de lectura alternativo. [Énfasis añadido.]
Ohno presentó argumentos razonando que su sugerencia era verosímil, pero no proporcionó pruebas de la existencia del gen «original», ni que fuese usado (de hecho, dice que sería improbable que hubiera tenido utilidad en base de su composición aminoácida), o que la inserción llegase jamás a producirse. Sin embargo, la hipótesis del desplazamiento del marco de lectura para el origen de la nilonasa ha sido extensamente proclamado como una realidad (aunque, cosa digna de tenerse en cuenta, no por Okada et al., que han realizado la mayor parte del trabajo).
Si la narrativa de la nilonasa que se ha contado más arriba fuese cierta, esto es, que una mutación del marco de lectura resultó en una generación de novo de un nuevo pliegue proteínico con una nueva función, constituiría ciertamente una refutación sustancial de la afirmación de Meyer y Axe. Si una mutación con desplazamiento en un marco de lectura puede producir un nuevo marco abierto de lectura al azar en un tiempo real y observable, y dar origen a una nueva enzima funcional, entonces no puede ser tan difícil conseguir nuevos pliegues proteínicos funcionales. En otras palabras, los pliegues proteínicos funcionales no deben ser raros en el espacio de secuencias. Y, por ello, los argumentos de Stephen Meyer acerca de la dificultad de conseguir suficiente nueva información biológica para generar un nuevo pliegue deben estar también equivocados. Venema asevera lisa y llanamente:
Si genes de novo codificantes de proteínas como la nilonasa pueden aparecer de cero, por así decirlo, entonces queda demostrado que nuevos pliegues proteínicos pueden ser formados por mecanismos evolutivos sin dificultad … [S]i Meyer hubiera comprendido la formación de genes de novo — como hemos visto, creyó erróneamente que era un proceso no explicado — hubiera sabido que con certeza se podían desarrollar fácilmente nuevos pliegues de proteínas mediante procesos evolutivos.
Un golpe definitivo, ¿no?
Sería prudente mostrar un poco de cautela antes de aceptar esta narrativa sin datos sólidos. En genética se nos enseña que las mutaciones por desplazamiento de marco de lectura son sumamente perjudiciales, al cambiar completamente la secuencia de codificación y dando como resultado sinsentidos truncados. De hecho, un término para designar una mutación por desplazamiento del marco de lectura es «mutación sin sentido». La intuición básica del biólogo debería ser que es muy improbable que los desplazamientos del marco de lectura vayan a producir nada útil. Las únicas razones que puedo encontrar para la generalizada aceptación de la hipótesis de Ohno son el inusitado carácter de la secuencia misma, la reputación de Ohno como científico brillante (y lo era), y la tendencia a la satisfacción del deseo por parte de algunos biólogos evolutivos.
Afortunadamente, la ciencia avanza, y los datos siguen acumulándose. El mismo grupo de científicos japoneses prosiguió su estudio de los genes de la nilonasa. El nylB parecía ser resultado de una duplicación génica del nylB′ que había ocurrido algún tiempo atrás. EII′ (la enzima codificada por nylB′) presentaba muy poca actividad nilonasa, mientras que EII (la enzima codificada por nylB) presentaba una actividad alrededor de mil veces superior. Las dos enzimas diferían en la secuencia aminoácida en 47 posiciones de 392. Tras un duro trabajo, los japoneses determinaron que solamente dos mutaciones fueron suficientes para convertir EII′ al nivel de actividad de EII.
Luego obtuvieron la estructura tridimensional de una proteína híbrida EII-EII′. Y con esos resultados todo cambió — o debió haber cambiado.
Aquí tenemos lo que Venema toma del artículo y cómo interpreta los datos:
… la estructura tridimensional de la proteína ha quedado resuelta usando cristalografía de rayos X, método que nos da la forma precisa de la proteína a alta resolución. La nilonasa está repleta de pliegues proteícos —precisamente la clase de pliegues que Meyer afirma tienen que ser resultado de un diseño porque la evolución no hubiera podido producirlos siquiera con todo el tiempo transcurrido desde el origen de la vida. [Énfasis añadido.]
Infortunadamente, Venema no capta bien la realidad. La nilonasa tiene un pliegue particular, una forma tridimensional particular estable. La mayoría de las proteínas tienen un pliegue distintivo —hay varios miles de clases de pliegues conocidos por ahora, cada uno de ellos con una topología y estructura determinadas. Los pliegues están constituidos típicamente de pequeñas estructuras secundarias llamadas hélices alfa y hojas beta, que ayudan a ensamblar la estructura terciaria — el pliegue como un todo. Venema parece no tener claro lo que es un pliegue proteínico, ni la distinción entre estructuras secundarias y terciarias. La nilonasa no está «repleta de pliegues». Ningún biólogo estructural describiría la nilonasa como «repleta de pliegues proteínicos». De cierto, ninguna proteína está «repleta de pliegues». Quizá Venema estaba refiriéndose a las unidades menores de la estructura secundaria que he mencionado más arriba, las hélices alfa o las hojas beta. Pero parece que no sabe qué es un pliegue proteínico.
Quizá esto explique por qué Venema pasó por alto el punto esencial del artículo que describía la estructura de la nilonasa. La estructura cristalina de EII-EII’ (un híbrido de la nilonasa necesario para poder cristalizar la proteína) reveló que no se trata de una nueva clase de pliegue, sino de un miembro de la familia de pliegues de la beta-lactamasa. Más específicamente, se parece a las carboxilesterasas, un subgrupo de dicha familia. Además, cuando los científicos comprobaron EII′ y EII, descubrieron que ambas enzimas presentaban una actividad carboxilesterasa previamente indetectada. En otras palabras, las enzimas EII’ y EII eran carboxilesterasas. Y si parece un pato y grazna como un pato, entonces es un pato.
De modo que EII′ y EII no tenían nuevos pliegues debido a desplazamiento del marco de lectura. Tenían unos pliegues preexistentes con la actividad característica de su tipo de pliegue. No eran proteínas novedosas. No había surgido ningún pliegue proteínico novedoso. Y no fue necesaria ninguna mutación con desplazamiento del marco de lectura para producir la nilonasa.
¿De dónde vino realmente la capacidad de digerir nilón? Las carboxilesterasas son enzimas con unas amplias especificidades en el sustrato; pueden llevar a cabo una diversidad de reacciones. Su cavidad de unión es grande y puede acomodar una diversidad de diferentes sustratos. En otras palabras, son unas enzimas «promiscuas». Además, la reacción de la carboxilesterasa hidroliza un enlace químico similar al que hidroliza la nilonasa. Unos ensayos revelaron que ambas enzimas EII y EII′ tienen actividad carboxilesterasa y nilonasa. Pueden hidrolizar ambos sustratos. De hecho, es posible que ambas tuvieran actividad carboxilesterasa y un bajo nivel de actividad nilonasa desde el principio, incluso antes de la aparición del nilón.
El nylB′ puede ser el gen original del que procedió el nylB. Por lo que parece, hubo una duplicación génica en algún punto en el pasado. Parece que los dos genes adquirieron mutaciones desde entonces — difieren en 47 aminoácidos de 392. Se desconoce cuándo tuvo lugar la mutación, pero no es reciente, porque se precisa de tiempo para acumular tantas mutaciones. Sin embargo, al menos algunas de esas mutaciones deben conferir un elevado nivel de actividad nilonasa a la EII, la enzima producida por nylB. La enzima EII’ producida por nylB’ tiene sólo una baja capacidad de degradar nilón, mientras que EII degrada el nilón mil veces mejor. De modo que una o más de esas 47 diferencias en los aminoácidos debe ser la causa del alto nivel de actividad nilonasa en EII. Mediante un cuidadoso trabajo, los investigadores japoneses Kato et al. identificaron qué cambios en los aminoácidos fueron los responsables del incremento en la actividad nilonasa. Sólo dos mutaciones sucesivas presentes en EII, al introducirse en EII’, pudieron convertir la débil enzima EII’ a una actividad nilonasa plena.
Nuestros estudios demostraron que entre los 47 aminoácidos alterados entre las proteínas EII y EII’, una única sustitución aminoácida en la posición 181 fue esencial para la actividad de la 6-aminohexanoato-dímero hidrolasa [nilonasa] y que la sustitución en la posición 266 aumentó el efecto.
Bien, esta no es pues la historia de un desplazamiento del marco de lectura sumamente improbable que produce una nueva enzima funcional. Es la historia de una enzima preexistente con un bajo nivel de promiscua actividad nilonasa, que mejoró su actividad con el nilón mediante primero una y luego otra mutación seleccionables. En otras palabras, este es un caso completamente verosímil de duplicación génica, mutación y selección operando en una enzima preexistente para mejorar una actividad preexistente de bajo nivel exactamente la clase de suceso que Meyer y Axe reconocen de manera específica como una posibilidad, dado el tiempo y los recursos probabilísticos disponibles. En realidad, el origen de la nilonasa proporciona en realidad un excelente ejemplo de la optimización de la función de un pliegue preexistente, no de una innovación o creación de un pliegue novedoso.
Como observan los mismos científicos que llevaron a cabo la determinación estructural de la nilonasa:
Aquí, proponemos que las sustituciones de aminoácidos en la hendidura catalítica de una esterasa preexistente con el pliegue de la beta-lactamasa resultó en la evolución de la oligómero hidrolasa del nilón. [Énfasis añadido.]
Pongamos fin a la fábula de que la oligómero hidrolasa del nilón, EII, coloquialmente conocida como nilonasa, surgió por una mutación de desplazamiento del marco de lectura, llevando a la creación de un nuevo pliegue proteínico funcional. No hay en absoluto necesidad alguna de postular un suceso tan sumamente improbable, ni justificación para formular esta exagerada pretensión. Más bien, hay una explicación mucho más equilibrada: la nilonasa apareció por un suceso de duplicación génica en cierto tiempo en el pasado, seguido de una serie de dos mutaciones que tuvieron lugar después de la introducción del nilón en el medio ambiente, que incrementó la actividad de la oligómero hidrolasa del nilón del producto del gen nylB hasta los niveles actuales. ¿Podría esta serie de sucesos tener lugar en 40 años? Desde luego. Y probablemente en mucho menos tiempo. De hecho, se ha comunicado que sucede en el laboratorio bajo las condiciones adecuadas de selección. Y, desde luego, la evolución de la nilonasa no demanda la creación de un novedoso pliegue proteínico, ni tampoco apareció tal pliegue. El pliegue de la EII forma parte de la familia del pliegue de las carboxilesterasas. Las carboxilesterasas sirven para muchas funciones y han existido durante mucho más que cuarenta años.
Douglas Axe y Stephen Meyer admiten abiertamente que esta clase de adaptación evolutiva sucede con facilidad. Una proteína que ya tiene un bajo nivel de actividad para un sustrato determinado puede mutar para favorecer una reacción secundaria por encima de la original, a menudo en solo unos pocos pasos. Hay muchos casos de ello en la literatura. Lo que Axe y Meyer afirman es que generar un pliegue proteínico enteramente novedoso mediante mutaciones y selección es extremadamente inverosímil. Nada en la historia de la nilonasa que nos presenta Dennis Venema demuestra lo contrario.
Fotografía: Paracaídas de nilón, por el Cabo Brian D. Jones, Cuerpo de Marines de los EUA [Dominio público], vía Wikimedia Commons.
Artículo publicado originalmente en inglés por Ann Gauger Ph.D.
