Explicando a la Innovación Bioquímica: Los 6 Principios del Diseño —Ann Gauger

Se encuentra muy difundida la creencia de que las primeras células fueron mucho más simples que las actuales. Las estimaciones que se hacen sobre el tamaño más pequeño que podría adoptar un genoma van desde el rango de los 250 a 400 genes. Este hipotético genoma reducido incluiría a genes necesarios para la división celular, replicación, transcripción, y traducción, pero no a los genes para producir aminoácidos, nucleótidos, vitaminas, y muchos otros metabolitos, debido a que se ha asumido de forma general que, al menos al comienzo, las células habrían adquirido estos metabolitos del mismo ambiente circundante. Así, aunque se dé por sentado el origen a partir de una célula primitiva y ultra reducida, el desafío que queda es explicar cómo las células subsecuentes pudieron haber evolucionado la habilidad de construir cosas como aminoácidos y vitaminas para sí mismas, tan rápido como los nutrientes desaparezcan.

En un Paper de acceso libre publicado recientemente, “Explaining Metabolic Innovation:Neo-Darwinism versus Design,” Doug Axe y quien les escribe hicimos una revisión acerca de cómo el neo-Darwinismo enfrenta este desafío.

“La estructura del metabolismo en si mismo sugiere que este [problema] debe ser considerado de una forma jerárquica. En el nivel inferior la pregunta es cuan satisfactoriamente la teoría explica el origen de funciones nuevas para enzimas singulares, mientras que a un nivel más elevado es cuán satisfactoriamente explica el origen de las funciones metabólicas más complejas, las cuales emergen cuando las funciones enzimáticas se combinan para formar las rutas metabólicas y estas a su vez se integran formando redes que llegan a constituir al metabolismo como un todo. Nótese que la selección natural está más relacionada con el nivel elevado: es justamente en donde se manifiestan los caracteres fenotípicos; mientras que las mutaciones están directamente más relacionadas con el nivel inferior, en el cual estas de forma individual logran alterar a genes singulares, y por consiguiente a enzimas singulares. El desafío perenne para el neo-Darwinismo ha sido explicar cómo las mutaciones y la selección, dos fenómenos dispares que operan en niveles diferentes, pueden combinarse para producir tales innovaciones funcionales en ambos niveles”.
 

“[…] Todas las teorías se encuentran con problemas no resueltos, pero para una teoría sólida estos llegan a ser desafíos en sentido positivo de la palabra —oportunidades de demostrar mayor validez. Por otro lado, con el neo-Darwinismo las cosas parecen moverse hacia otra dirección. Cuanto más aprendemos de los sistemas biológicos, nos encontramos con más problemas aparentemente sin solución en cada nivel. Para empeorar las cosas, como hemos visto aquí la gran interdependencia que existe entre estos componentes individuales que fallan, la reparación de la teoría parece poco probable”.
 

“A pesar de lo negativo que esto pueda sonar, tiene un lado positivo: los conocimientos que ganamos de la identificación de los obstáculos que enfrenta el neo-Darwinismo puede y de hecho debe la información necesaria para la construcción de una teoría nueva que tome su lugar. Es decir, al señalar los problemas clave de la vieja teoría estamos identificando las características cruciales en las cuales nuestro reemplazo se diferenciará de esta. Nosotros nos hemos convencido de que esta causalidad inteligente es esencial como punto de comienzo para cualquier teoría exitosa sobre la innovación biológica. Si esto es así, de lo que se precisa ahora es de la elaboración de los principios generales a través de los cuales la vida ha sido diseñada. En conformidad con esto, hemos intentado identificar a los principios del diseño a partir de cada uno de los problemas descriptos arriba. Los seis principios, que se encuentran acompañando a los obstáculos que señalamos, son los siguientes”:

Primer obstáculo: Es probable que las innovaciones metabólicas emergentes sean débiles (tengan poco efecto o intensidad) y requieran de una sobreexpresión para ser beneficiosas. Sin embargo, la sobreexpresión a menudo conlleva un costo para la célula que con frecuencia supera  a cualquier beneficio que la innovación pueda proporcionar (Gauger et al. 2010).

Primer principio: Las innovaciones son como las inversiones. Al principio es probable que no sean rentables. Se requiere de previsión para mantenerlas el tiempo suficiente hasta que la recompensa las haga rentables.

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Segundo obstáculo: Cualquier innovación biológica que observemos hoy tuvo que emerger en algún momento y luego esparcirse en una población, ganando lo que podríamos denominar como “lotería de fijación”. Aún las mutaciones beneficiosas más comunes tienen que surgir 10 o más veces antes de lograr fijarse en una población, debido a la mortalidad aleatoria de las células que llevan la innovación (Axe 2010).

Segundo principio: Las innovaciones con frecuencia deben ser conducidas hasta superar un punto de inflexión antes de auto-establecerse. Lo cual significa que deben ser fomentadas o promovidas al comienzo, con el objetivo de que se conviertan en la regla.

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Tercer obstáculo: Si una innovación beneficiosa (la modificación de una enzima existente a fin de que esta pueda efectuar una nueva reacción química) requiere que múltiples mutaciones neutras y específicas, o débilmente deletéreas ocurran en el surgimiento de una enzima, las cosas rápidamente se vuelven improbables. Un proceso que involucre a más de tres mutaciones estará probablemente más allá del alcance de un proceso no guiado. Incluso las innovaciones más genuinas (nuevas funciones enzimáticas) requieren mucho más que tres mutaciones, aún cuando se parta de un pliegue proteínico muy similar (Gauger y Axe 2011).

Tercer principio: Adaptar a las enzimas u otras estructuras biológicas para que adquieran nuevas funciones requiere repensar al diseño de la estructura como un todo, no solo como modificaciones aisladas. Este replanteo usualmente requerirá un nuevo trabajo sobre la esencia del diseño, y no simplemente un ajuste menor. 

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Cuarto obstáculo: La mayoría de las innovaciones metabólicas requiere de múltiples etapas catalizadas por múltiples enzimas. Con frecuencia, solo el producto final es relevante para la célula. Cada etapa adicional añade dificultad de forma exponencial. Véase el Paper por ejemplos.

Cuarto Principio: Las innovaciones útiles y relevantes requieren usualmente de la solución simultánea de múltiples problemas nuevos. Esta es la razón por la que son raras.

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Quinto principio: Las innovaciones metabólicas dependen con frecuencia de que surjan pliegues genuinamente novedosos en las proteínas como también que estos se modifiquen. Sin embargo, conseguir un pliegue proteico nuevo es astronómicamente difícil (Axe 2004).

Quinto principio: Comúnmente, las innovaciones radicales involucran tanto una re-aplicación de los diseños ya probados como la invención de novo de otros diseños. La invención de novo probablemente sea el paso determinante en la velocidad del proceso. Piense en el descubrimiento que más le llamo la atención en el último siglo, y considere un momento.

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Sexto obstáculo: Muchas de las funciones metabólicas exhiben circularidad causal. Es decir, usted necesita aquello que está construyendo a fin de poderlo construir. No existe una historia causal simple, de diversos pasos que pueda ser referenciada para esto. Por ejemplos, véase el Paper.

Sexto principio: Cada innovación forma parte del concepto previo e integrado que se tiene de la estructura, desde la base hasta su ápice, de tal forma que su construcción ascendente es coherente con el propósito del diseñador.

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En resumen: Lo que se necesita para explicar a la innovación metabólica es previsión, inversión, re-aplicación de viejos conceptos como también el desarrollo de nuevos, y también una organización ascendente e intencional de las partes a fin de que sirvan a la función como un todo. No es el tipo de compromiso que un proceso no-inteligente puede ofrecer ¿verdad?

Autor: Ann Gauger - Recibio la Licenciatura en Biología del Instituto Tecnológico de Massachusetts y un Doctorado en Biología del Desarrollo de la Universidad de Washington. Tambien realizó un trabajo post-doctoral en Harvard. Actualmente trabaja en el Biologic Institute. En su trabajo utiliza biología molecular e ingeniería genética para estudiar el origen, la organización y el funcionamiento de las vías metabólicas.

Traductor: Daniel Alonso - Estudia Licenciatura en Ciencias Biológicas en UNT, Argentina.

De: http://www.biologicinstitute.org/post/52887834874/explaining-innovation