|
La evolución del flagelo —y la ascensión al «Monte Improbable» Sean
D. Pitman, M.D.
Marzo de 2005 |
|
Índice |
Estructura del
flagelo bacteriano. La ilustración a la derecha es una
reconstrucción
promediada en rotación de micrografías de barrido
electrónico de
cuerpos
basales del gancho. Las designaciones de las diversas partes aparecen
en la
ilustración de la derecha. La mayoría de los científicos modernos creen que todos los seres vivos, con todas sus diversas partes y sistemas funcionales, evolucionaron por medio de un proceso de mutaciones al azar y de selección natural a partir de una línea de descendencia común a lo largo de millones e incluso miles de millones de años. Naturalmente, las famosas observaciones y documentaciones que hizo Darwin de diversos cambios reales a través del tiempo en muchos organismos ayudaron a popularizar este concepto. La interpretación de la columna geológica y del registro fósil, junto con muchos ejemplos modernos de evolución en tiempo real, como el rápido surgimiento de resistencia a los antibióticos en las bacterias, solo parecían confirmar la teoría de la evolución como algo que es «más que una teoría». Sin embargo, todavía hay aquellos que siguen poniendo en tela de juicio el potencial creativo de un proceso tan carente de propósito. ¿Pueden las mutaciones al azar y la selección natural originar realmente la asombrosa complejidad y diversidad de todos los seres vivientes? Para muchos, las maravillas del mundo natural y del universo, especialmente de la vida, les inspiran tal maravilla que intuyen que tienen que haber sido puestas en su sitio por una inteligencia extraordinariamente brillante — una inteligencia divina. Naturalmente, el argumento contrario es que, a pesar de toda su grandeza, el universo y todos los seres vivos manifiestan solo una «apariencia de designio», cuando en realidad no habría ningún propósito ni ninguna planificación deliberada en su creación.
El mecanismo evolutivo Pero, ¿qué hay del mecanismo
de la
evolución? ¿Puede acaso
un proceso sin propósito ni dirección, que en absoluto
tiene una meta o
un fin
elevado en mente, producir realmente las maravillas que vemos todo a
nuestro
alrededor y dentro de nosotros mismos? Nos dice la ciencia popular que
todo
tiene que ver con diminutos pasos —con las pequeñas diferencias
y
cambios que
se van acumulando con el tiempo para producir una fantástica
variación
en la
forma y en El famoso biólogo materialista británico, Richard Dawkins, describe este proceso como «Escalando el Monte Improbable» en un popular libro que lleva este título. En este libro, Dawkins explica que aunque pueda parecer muy improbable que la montaña de complejidad que existe en la actualidad haya surgido gracias a un azar ciego, la evolución no es un proceso de cambio puramente al azar. La evolución emplea azar para crear pequeños pasos, cada uno de los cuales es bien bueno o malo, o neutral, con respecto a la capacidad reproductiva global del organismo. La Naturaleza, por medio de un proceso que se conoce popularmente como la «supervivencia de los más aptos», da una capacidad de reproducción mayor a aquellos organismos que adquieren cambios positivos, y resta capacidad reproductiva a aquellas criaturas que soportan cambios perjudiciales. Es evidente, entonces, que la siguiente generación quedará más poblada por aquellos organismos con los cambios más beneficiosos. De esta manera, los cambios buenos se acumulan con el paso del tiempo en cada generación, y se asciende a esta montaña de enorme complejidad por pequeños pasos, uno a la vez. Discontinuidades neutras Todo esto suena muy bien, y es en realidad
bastante
convincente, excepto quizá por un pequeño problema. La
selección
natural está
limitada en cuanto a que solo puede seleccionar de una forma positiva
aquellos
cambios funcionales que manifiestan una mejora en función sobre
lo que
había
antes. Pero resulta que muchos cambios mutacionales (esto es, cambios
en los
códigos genéticos subyacentes del ADN que dictan como se
forma un
organismo en
cada uno de sus detalles) no tienen en absoluto ningún efecto en
la
función del
organismo. Estos cambios, o mutaciones, son designados como
«neutros»
con
respecto a la selección de Una diferencia neutra puede ser cuestión de «deletrear» el código para la misma función de una manera diferente que resulte todavía en la producción de un resultado idéntico, igual o equivalente (como acabo de hacer yo al usar tres palabras diferentes que son prácticamente sinónimas). O, puede que existan diferencias neutras entre secuencias igualmente carentes de significado — como la diferencia entre quiziligook y quiziliguck. Ambas carecen igualmente de significado cuando se pronuncian en la mayor parte de situaciones. Por ello, ninguna de las dos podría adquirir una mejor «aptitud» o un mayor significado en un medio determinado que en otro. La selección entre ambas sería idéntica/neutra —es decir, completamente al azar. ¿Por qué debe esto ser un problema para la evolución? La cuestión es que a niveles muy bajos de complejidad funcional (esto es, funciones que precisen de una secuencia muy corta de entidad genética material) la relación entre secuencias potencialmente benéficas y secuencias no benéficas es bastante elevada. De modo que la cantidad de diferencias neutras entre una secuencia benéfica y la siguiente secuencia benéfica es poca. Por ejemplo, consideremos la siguiente secuencia de vocablos en inglés: cat - hat - bat - bad - big - dig - dog. Es fácil pasar por la secuencia de cada tres caracteres en el sistema de la lengua inglesa, debido a que la relación entre significativo y no significativo en el «espacio de secuencia» de secuencias de 3 caracteres es de alrededor de 1 en 18. Sin embargo, esta relación disminuye enormemente, en realidad de forma exponencial, con cada incremento de longitud mínima de secuencia. Para un espacio de 7 caracteres, la relación es de alrededor de 1 entre 250.000, y esto sin tener siquiera en cuenta la naturaleza «benéfica» de una secuencia determinada en relación con un medio ambiente o situación particulares. Sin embargo, las secuencias de 7 caracteres están por lo general muy interconectadas, como una red hecha de estrechos caminos entrelazados que rodean grandes espacios de secuencias potenciales carentes de sentido y no beneficiosas. Sin embargo, si el tamaño mínimo de la secuencia en cuestión necesaria para conseguir una idea o paquete de información «benéficos» precisa de más de unas pocas docenas de caracteres, los caminos y puentes de interconexión que vinculan diversas islas o agrupaciones de secuencias benéficas comienzan a romperse hasta el punto de que las islas de secuencias benéficas quedan completamente aisladas de cualquier otra isla en el espacio de secuencias. Sencillamente, no hay forma de cruzar el intervalo de secuencias no benéficas mediante un proceso de cambio(s) puramente al azar a lo largo del tiempo. Con cada paso adicional al ascender por la escalera de la complejidad funcional, este intervalo se va ampliando más y más, de una forma exponencial, hasta que simplemente se hace imposible de cruzar a este lado de billones y billones de años de tiempo medio. La selección natural es sencillamente ciega cuando se trata de cruzar tales vacíos. Sin la guía de la selección natural, este cruce demandaría unas cantidades imposibles de tiempo por cuanto las secuencias de jerigonza no beneficiosa del espacio de secuencias se tienen que seleccionar al azar antes que se descubra alguna secuencia beneficiosa sumamente rara por pura suerte. Naturalmente, una mutación de inserción simple compuesta de una secuencia precisamente idónea podría cruzar el vacío entre una isla funcional y otra isla muy alejada. Pero no servirá cualquier secuencia de caracteres múltiples. Esta secuencia tiene que ser la justamente idónea para que funcione para muchos tipos de funciones de alto nivel. La probabilidad de que surja una secuencia específica de esta clase es sumamente remota dentro de un tiempo de billones de años cuando el intervalo llega a tamaños de solo unas pocas docenas o así de diferencias de caracteres no beneficiosos entre una isla determinada y la isla vecina más cercana (esto se considera más adelante con mayor detalle).
Esto plantea un problema potencial para la evolución de sistemas funcionales de gran complejidad, como el sistema motor del flagelo bacteriano (véase la animación de un modelo actual de montaje del flagelo, por Keiichi Namba et al12). Estos sistemas precisan de muchas piezas proteínicas individuales que funcionen de manera concatenada al mismo tiempo en una orientación específica para conseguir una función unitaria. Si cualquiera de estas piezas falta, o queda alterada hasta más allá de un cierto grado muy limitado, la función global del sistema, en este caso la motilidad, no operará en absoluto, ni con una actividad mínima. Se debe considerar que el sistema flagelar, en particular, precisa de los servicios de alrededor de 50 genes — incluyendo los genes para el aparato sensorial (que hace girar el flagelo en sentido horario o antihorario a una velocidad mayor o menor dependiendo del ambiente). Todos estos genes han sido descritos de manera detallada. Como mínimo parece que se precisa de 30 tipos de proteínas diferentes (codificadas por los genes) para construir la estructura efectiva, y alrededor de otras 20 para ayudar en la construcción, regulación y control de la operación del flagelo (apéndice). La cantidad total de caracteres bien especificados (dispuestos de forma específica para la mínima función) que constituyen todas estas piezas de proteínas es de más de 10.000 resíduos de aminoácidos (aa) codificados por alrededor de 50 genes. Esto es semejante a una redacción de alrededor de 2.000 palabras. Algunos han argumentado que la cantidad
mínima
efectiva es
inferior a 50 por cuanto ciertos tipos de bacterias pueden construir
sistemas
flagelares útiles con algo menos que las 30 piezas que
generalmente
aparecen en
Parece que al menos estos 21 genes están cerca del mínimo imprescindible para una función flagelar útil. Son muchos los intentos que se han hecho para explicar la evolución paso a paso de un sistema tan evidentemente complejo. La mayoría de estas explicaciones son muy superficiales, saltando, con un mero gesto displicente, sobre enormes vacíos evolutivos que involucran grandes cambios de múltiples proteínas. Sin embargo, ha habido algunos intentos más meritorios. Quizá uno de los mejores intentos para tratar de explicar la evolución del flagelo es la proposición de Nicholas J. Matzke en este artículo de 2003: «Evolution in (Brownian) space: a model for the origin of the bacterial flagellum [La evolución en el espacio (Browniano): un modelo para el origen del flagelo bacteriano]». En aquellas fechas, Matzke era estudiante
graduado de geografía
en la Universidad de California en Santa Bárbara, y tenía
una evidente
pasión
por cuestiones foráneas a
Sección de un flagelo bacteriano
típico.
Las subestructuras se designan
Sistema homólogo al flagelar. Las
subestructuras se designan El punto
de
partida
Es cosa extraña que los
evolucionistas
propongan tan generalmente
el sistema SSTT como el punto de partida más probable, siendo
que se
supone que
el sistema SSTT habría evolucionado cientos de millones de
años después de la evolución del
flagelo. Se
debe considerar también que el flagelo bacteriano se encuentra
tanto en
las
bacterias mesofílicas como termofílicas, Gram-positivas,
Gram-negativas
y
espiroquetas, mientras que los sistemas SSTT están limitados a
algunas
bacterias Gram-negativas. No solo están los sistemas SSTT
restringidos
a las
bacterias Gram-negativas, sino también a bacterias
Gram-negativas
patogénicas
que atacan de forma específica a animales y a plantas ...
¡que
supuestamente
evolucionaron miles de millones de años después
que hubiera evolucionado la motilidad flagelar! Además, cuando
los
genes de los
SSTT se encuentran en los cromosomas de las bacterias, su contenido en
GC
(guanina/citosina) es generalmente inferior al contenido en GC del
genoma
alrededor. Dado que los genes de los SSTT se encuentran
comúnmente en
plásmidos
de gran virulencia (que pueden pasar fácilmente entre diferentes
bacterias),
esta es buena evidencia de la transferencia lateral para explicar la
distribución
de los genes de los SSTT. Los genes flagelares, en cambio, están
generalmente
distribuidos entre alrededor de 14 operones, no se encuentran en
plásmidos, y
su contenido en GC es el mismo que el del genoma alrededor, lo que
sugiere que
el código para el flagelo no ha sido esparcido mediante
transferencia
lateral. Así que más bien parece que el sistema SSTT hubiera podido evolucionar procedente del flagelo (que de hecho contiene un cuerpo basal que secreta diversas proteínas no flagelares — incluyendo factores de virulencia), y no a
Sistemas de secreción. Las
subestructuras
se designan
En resumen, parece que la mayor parte de estos 10 homólogos flagelares son necesarios para la función del SSTT. De modo que la asunción de un sistema intacto proto-SSTT es un buen comienzo para tratar de explicar la evolución flagelar. El hecho es que el sistema SSTT es sumamente complejo de por sí, y esto solo añade al concepto de que el sistema SSTT no evolucionó a partir de un sistema de menor complejidad, sino que surgió de un sistema de mucha mayor complejidad (el flagelo plenamente formado) por medio de un proceso de eliminación de piezas preexistentes —no por la adición de nuevas piezas. Evidentemente, es mucho más fácil quitar componentes y mantener funciones de un nivel inferior que ya están allí que añadir nuevos componentes a funciones de bajo nivel para conseguir funciones beneficiosas de alto nivel que todavía no existen. Añádase a esto que algunos de los
homólogos
entre el sistema
flagelar y el sistema SSTT no son tan homólogos. En resumen, es sumamente difícil
explicar la
función del
sistema SSTT mismo usando mecanismos evolutivos sin una
dirección
inteligente.
Todavía no se ha propuesto ningún intento razonable para
explicar cómo
pudiera
haber evolucionado un sistema SSTT con intervalos neutros que sean
suficientemente
pequeños para que pueda ser salvado mediante mutaciones al azar
del
tipo que
sea. Matzke y otros evolucionistas afrontan estos problemas sugiriendo que algún día pudiera encontrarse algún homólogo todavía no descubierto del aparato secretor del flagelo. Matzke explica: Si los sistemas de virulencia de tipo III derivan de flagelos, ¿cuál es la base para emitir la hipótesis de un sistema de secreción de tipo III que sea ancestro de los flagelos? La cuestión quedaría resuelta si se descubrieran homólogos no flagelares del aparato de exportación del tipo III en otras filas bacterianas, que realizasen funciones útiles en el mundo pre-eucariota. Que no se haya descubierto todavía tal cosa constituye un argumento válido en contra del presente modelo, pero al mismo tiempo sirve de predicción: el modelo quedará considerablemente fortalecido si se descubre dicho homólogo. Por el momento, es bastante fácil explicar la falta de descubrimiento de tal homólogo en base a la falta de datos.1 ¿De modo que por el momento, la evidencia para la evolución del primer paso en la síntesis flagelar está escondida y segura detrás de una «falta de datos»? ¿Dónde está la «detallada» explicación de la evolución flagelar en todo esto? Bien, Matzke y otros imaginan lo que hubiera podido suceder para lograr la evolución del primer sistema proto-SSTT. El origen de este sistema proto-SSTT comienza con un homólogo de FliF, un complejo de porinas de membrana. FlhB, el complejo proteínico que controla el tipo de proteínas secretadas, se une de alguna manera a FliF. La FlhA, de función desconocida, se añadió también para que junto con FlhB, se pudiera transformar un poro transportador pasivo general en un transportador de sustrato específico. No se sugiere de dónde pudieron proceder FlhB o FlhA ni qué otras funciones hubieran podido tener, ni tampoco queda claro cómo sus capacidades selectivas hubieran podido ser de ayuda, especialmente en el caso de que se seleccionasen unas proteínas desacertadas para su transporte. En todo caso, una vez se han combinado FlhB y
FlhA con FliF, se
precisa de energía para el transporte activo. Y aquí
entra FliI al
rescate. La
propuesta es que la F1-αβ ATPasa, un heterohexámero
compuesto de
subunidades α (no catalíticas) y de subunidades β
(catalíticas) que se
encuentra en muchos tipos de bacteria, evolucionó a partir de un
antecesor
común de FliI (un homohexámero compuesto de subunidades
catalíticas y
fuente de
energía para el SSTT), por cuanto FliI comparte ~30% de
homología con
Sistemas con componentes homólogos a
componentes flagelares. Naturalmente, si se concede que se pueda obtener FliI, es fácil conseguir que la fuente de energía se conecte al poro de FliF —¿verdad? No tan fácil. FliI no puede unirse directamente a FliF. Se precisa de otra proteína llamada «FliH» para conseguir que Así que para que el SSTT pueda conseguir la exportación activa de la proteína, se tienen que disponer tres complejos proteínicos de forma precisa (FliI, FliH, y FliJ) — y esto simplemente para la versión imaginaria. Las otras partes del aparato secretor, FliOPQR, ni son consideradas en el «detallado» modelo por pasos de Matzke de evolución flagelar, debido a la «falta de datos». Además de lo anterior, ¿qué hay del argumento de que las semejanzas entre las proteínas de la F1F0-ATP sintetasa y del aparato exportador flagelar de tipo III apoyan el concepto de que comparten un antecesor primitivo común? Prácticamente inmediatamente, Matzke añade: «Individualmente, las semejanzas que se citan son fácilmente atribuibles al azar, pero juntas son al menos sugestivas».1 A mi parecer, esto suena a que hay algunos vacíos bastante grandes al menos potencialmente presentes en la ruta que se ha propuesto. Al menos estos vacíos no se consideran con ningún detalle en el modelo de Matzke ni en ningún otro modelo que yo conozca. Estos pasos, que parecen demandar cientos de diferencias genéticas bastante específicas, se ignoran simplemente con un gesto displicente, para llegar a la siguiente conclusión: «El acontecimiento clave en el origen de la exportación de tipo III fue la asociación de una primitiva F1F0-ATP sintetasa con una proto-FlhA o FlhB en el interior del anillo proto-FliF, convirtiéndolo de un transportador pasivo a otro activo. Por cuanto es poco lo que se conoce de los detalles de la actividad acopladora de la ATPasa con la exportación proteínica en la exportación de Tipo III, este paso sigue siendo especulativo». ¿De verdad? Esto era lo que se suponía que debía ser un tratamiento «detallado» de la evolución flagelar. Hasta ahora, parece que no tenemos nada más que una especulación más bien superficial.
Dado el sistema SSTT como punto de partida,
con
independencia de lo endeble de dicha hipótesis, los siguientes
pasos en
la
evolución del flagelo deberían ser fáciles,
¿no es cierto? Con solo
unos pocos
cambios de residuos aquí y allí, el camino de la
función beneficiosa y
mejorada
debería estar constituido por unas piedras pasaderas claras y
estrechamente
espaciadas. Es preciso recordar que el escenario propuesto por Matzke
es una de
las descripciones más detalladas que he podido encontrar — a
pesar de
lo
superficial que es. Los componentes necesarios simplemente surgen a la
existencia y se unen fácilmente entre sí justo de la
forma apropiada.
No se
proporciona ninguna exposición detallada acerca de las
significativas
modificaciones
que serían precisas para que tuvieran lugar estas uniones tan
específicas con
grado beneficioso. El tratamiento que da Matzke es una burda
subestimación de
la complejidad involucrada en el paso de un estado beneficioso al
siguiente a
lo largo de su propuesta ruta evolutiva.
Resumen
de Maztke del modelo evolutivo para el origen del flagelo,
exhibiendo las seis etapas principales y los intermedios clave. Los
componentes
blancos tienen homólogos no flagelares identificados o
razonablemente
probables;
los componentes grises tienen homólogos o bien sugeridos pero
sin
evidencia, o
ningún homólogo identificado específico, aunque se
pueden postular
funciones
ancestrales. El modelo comienza con un poro de membrana interna pasivo
algo
general (1a) que se convierte a un poro para sustrato más
específico
(1b) por
unión de la proto-FlhA y/o FlhB con FliF. La interacción
de una
F1F0-ATP sintetasa
con FlhA/B produce un transportador activo, un primitivo aparato de
exportación
de tipo III (1c). La adición de una secretina que se asocia con
el
anillo
citoplasmático convierte esto a un sistema de secreción
de tipo III
(2). Un
sustrato mutado de secreción se transforma en una adhesina
secretada
(o,
alternativamente se coopta una adhesina por transposición de la
secuencia de
reconocimiento de la secreción), y una mutación posterior
permite que
se una al
lado exterior de la secretina (3a). La oligomerización de la
adhesina
produce
un anillo pentamérico, lo que permite más adhesinas
superficiales sin
que se
bloqueen otros sustratos de secreción (3b). La
polimerización de este
anillo
produce un tubo, un pilus primitivo
de tipo III (4a; en el diagrama, aparece una estructura axial blanca en
lugar
de las subunidades individuales de pilina; todas las otras
proteínas
axiales
descienden de esta pilina ancestral común). La
oligomerización de una
pilina
produce la cubierta, que aumenta la velocidad y la eficiencia del
montaje (4b).
Una pilina duplicada que pierde sus dominios exteriores pasa a ser la
proteína
del proto-vástago, que se extiende hacia abajo a través
de la secretina
y que
fortalece la unión del pilus mediante
asociación con la base (4c). Adicionales duplicaciones de las
proteínas
del
proto-vástago, del filamento y de la cubierta, que ocurren antes
y
después del
origen del flagelo (6) producen el resto de las proteínas
axiales;
estos
repetidos eventos de subfuncionalización no se muestran
aquí. El
protoflagelo
(5a) es producido por coopción de los homólogos de TolQR
a partir de un
sistema
parejo al Tol-Pal; quizá una porción de un
homólogo de TolA unido a
FliF para
producir proto-FliG. A fin de conseguir la mejora de la
rotación, la
secretina
pierde sus lugares de unión al filamento axial,
transformándose en el
protoanillo
P, y el papel de poro de la membrana exterior es asumido por el anillo
acompañante
de lipoproteína de la secretina, que pasa a ser el protoanillo L
(5b).
El
perfeccionamiento del anillo L y la adición del dominio de
muramidasa
de la
cubierta de FlgJ del vástago (que elimina la necesidad de
encontrar una
abertura natural en la pared de la célula) resulta en 5c.
Finalmente,
la unión
de una proto-FliN mutante (probablemente un receptor CheC) a FliG
acopla el
sistema de transducción de señales al protoflagelo, lo
que produce un
flagelo
quimiotáctico (6); la fusión de proto-FliN y CheC produce
FliM. Cada etapa iría evidentemente
seguida de una
gradual optimización coevolutiva de las interacciones de los
componentes. Así,
el origen del flagelo queda reducido a una serie de pasos mutacionales
verosímiles.1
Como es usual, el siguiente paso, dada la existencia de un sistema SSTT, es la adición de un filamento. Matzke y muchos otros arguyen que los filamentos simples de base proteínica son fáciles de elaborar — y señalan a la polimerización de la hemoglobina en pacientes de anemia falciforme como resultado de una sola mutación puntual. Esta forma de pensar subestima diversos requisitos muy específicos que se precisan para formar un filamento útil de cualquier clase. Por ejemplo, las partes de un filamento
aleatorio, como las que
constituyen la hemoglobina falciforme, tienen una gran probabilidad de
agregarse en amontonamientos o largas hebras enredadas antes que sean
transportadas a través de cualquier clase de poro a la
superficie
exterior de Ahora bien, no solo tienen que unirse a sí mismas y de forma correcta las partes más y más «especiales» del filamento, así como al aparato secretor, sino que tienen que formar un filamento cuyo extremo distal pueda unirse a alguna cosa distinta que a sí mismo y a su propia superficie bacteriana alojadora. Por encima de todo lo demás, esto parece que es algo difícil de conseguir. ¿Cuál es la probabilidad de que un gen capaz de codificar unas proteínas filamentosas tan especializadas llegue a surgir para ser secretado de una manera específica por un poro de transporte activo existente? El «Simple» Pilus P A fin de poder siquiera comenzar a responder
a esta
pregunta, consideremos lo que es necesario para elaborar el más
simple
«filamento» bacteriano que conocemos, empleado con
algún propósito
beneficioso
en una bacteria real — como el pilus
P.
El pilus P funciona como un anclaje de unión entre células bacterianas y otras. Es un delgado filamento hueco ahusado cerca del extremo. Sobre este extremo hay una proteína que se une de forma específica a ciertas clases de moléculas de azúcar sobre ciertos tipos de células (como células renales). Aunque este pilus es tan simple como se pueda obtener en la vida real e incluso aunque su función parece más bien humilde, está codificado por alrededor de 10 ó 11 genes — tantos como codifican el sistema secretor de tipo III (SSTT) tan evidentemente complejo. La sección proximal más gruesa está formada por componentes proteínicos PapA, y la sección distal más delgada por componentes PapE, y el extremo mismo por PapG (la «adhesina» específica que se une a los azúcares). Hay también una proteína adaptadora, PapF, que une PapG con PapE, y otra, PapK, que une PapE a PapA.14 Tenemos un total de 5 proteínas diferentes que entran en un orden muy específico. ¿Cómo se consigue este orden? Esto se consigue con una interacción bastante complicada de proteínas «chaperonas» o guías. Pero, en primer lugar, la célula tiene que hacer una ruta de exportación multiproteínica llamado sistema sec, que descarga material citoplasmático en el espacio periplasmático. El truco para que las bacterias Gram-negativas «deseen» desarrollar un pilus es hacer que un filamento penetre la membrana exterior. Esto exige una sofisticada coordinación. En primer lugar, todas las subunidades del pilus se exportan preferencialmente, en estado no desplegado, al interior del periplasma a través del sistema sec donde vuelven a plegarse. Sin embargo, si se dejasen a sí mismas, formarían acumulaciones desorganizadas. De modo que se precisa de una proteína chaperona, PapD, para impedir este problema de amontonamiento y para ayudar a una conformación apropiada del plegado con el uso de complementación de hebra donante (DSC). Las partes del filamento, por sí mismas, son sumamente inestables y nunca se pliegan de manera apropiada. Y PapD no tiene ninguna otra función conocida. A continuación, el complejo subunidad
del pilus-chaperona interacciona de manera
específica con un
canal
proteínico en la membrana exterior conocido como PapC. Este
canal es
suficientemente
grande para que pase a través suyo el extremo del filamento,
pero no la
parte
proximal. El PapD, la chaperona, entrega la unidad del pilus
al PapC, que luego ayuda en su unión al filamento en
crecimiento donde cada subunidad contribuye una hebra para completar de
manera
perfecta el pliegue de su vecino, y así estabilizarlo.14,15 Así, incluso algo tan relativamente «simple» como la construcción de un pilus parece bastante complicado en comparación con el propuesto paso de la evolución del filamento. Es simplemente muy difícil elaborar un filamento «útil» —o así lo parece. Pero digamos que de alguna manera hemos conseguido que evolucione un filamento así. ¿Cómo va luego a evolucionar para llegar a ser un flagelo? Un flagelo necesita secretar proteínas para su construcción. El problema es que no hay ningún pilus P que se sepa que secrete proteínas —quizá debido al pequeño tamaño del canal o a la ausencia de una fuente asociada de energía para bombear las proteínas. En todo caso, todos estos pili son muy diferentes de los flagelos en un aspecto de gran importancia. Estos pili se construyen desde el fondo, donde cada nuevo monómero añadido empuja el pilus existente hacia arriba y afuera. Los flagelos, en cambio, son construidos desde el extremo hacia afuera, donde cada nuevo monómero es añadido al extremo de modo que el extremo crece hacia afuera sobre el flagelo existente.
Imagen con electrón
microscópico del
extremo distal del filamento flagelar El ya desaparecido Robert Macnab, que fue
profesor de biofísica
y bioquímica molecular en la Universidad de Yale y que
también estudió
los
flagelos, observó que el mecanismo de construcción
flagelar es «un
proceso
mucho más sofisticado que lo que ninguno de nosotros
hubiéramos podido
imaginar».8 Luego añadió: «No
creemos que sería posible que
el
sistema funcionase con una complejidad significativamente menor».9 El filamento flagelar Hay un tipo interesante de bacteria sin
motilidad, conocida
como Shigella, que posee genes
flagelares, pero que no produce flagelos. Algunas estirpes de Shigella tienen más genes ausentes que
otras, pero en ciertas estirpes el único gen ausente es el gen
de FliD.
Este
gen de FliD codifica la vital proteína de la cubierta del
filamento.
Sin la
proteína de
Detalle de la cubierta de la flagelina -
Funcionamiento de la cubierta al ir
alargándose el filamento La cubierta tiene 5 patas, pero el extremo del
filamento tiene
5,5 subunidades de flagelina en su circunferencia. De modo que siempre
hay una
pequeña rendija en un punto entre la cubierta y el filamento. Es
en
este lugar
que se añade la siguiente subunidad en el filamento en
crecimiento. Al
añadirse
la siguiente subunidad en el espacio abierto, se imprime un giro a la
cubierta
de modo que se abre un nuevo espacio adyacente al que se acaba de
llenar. Así,
mientras la cubierta gira y gira, a 10 rotaciones por segundo, se van
añadiendo
nuevos monómeros de flagelina (FliC) uno por uno, 50 por segundo.8 Lo que es más interesante en todo esto
es que
los extremos de
las subunidades de la flagelina se despliegan mientras se desplazan por
el tubo
del hueco del filamento. Una de las razones de ello es que la flagelina
plegada
presenta un gran doblez en medio que la hace demasiado grande para
viajar a
través del tubo. Por sí mismas, las subunidades de
flagelina no pueden
plegarse
apropiadamente. Así, En resumen, sin esta cubierta sumamente especializada, las unidades de flagelina no pueden autoestructurarse en absoluto para constituir un filamento tan ordenado. Y ni la proteína de la cubierta ni los monómeros de la flagelina tienen ninguna otra función celular. Más allá de esto, ¿cómo sucede que se coloca la cubierta en la posición correcta en el extremo del filamento y que no se envían más monómeros de la cubierta por el tubo una vez ha quedado constituido? Una vez más, se precisa de una chaperona específica para la construcción de la cubierta y para la prevención de incorporaciones inoportunas. Para contrarrestar este argumento, se dice que
por cuanto las
unidades tubulares proteínicas flagelares FliL y FliK no
precisan de
cubierta
alguna para su correcta construcción, que la adición de
una cubierta
fue una
modificación evolutiva tardía para mejorar la velocidad y
Las explicaciones de Matzke no descienden a
mayor detalle que
esto. Si estos pasos evolutivos fuesen tan fáciles de salvar,
sería
fácil
ensayarlos en el laboratorio. Simplemente, se debe proceder a eliminar
el gen
de La motorización del flagelo Bien, digamos que de alguna manera alguna colonia primitiva de bacterias pudo realmente evolucionar un sistema proto-SSTT y un sistema proto-flagelar/filamental donde cada sistema era de forma independiente funcional de alguna manera beneficiosa. En este punto, Matzke argumenta que sería algo muy simple unir estos dos sistemas para llegar a la motilidad flagelar. Para pasar a la consideración de esta propuesta, volvamos un poco atrás. Recordemos que el motor flagelar se distribuye en dos unidades básicas: el estator y el rotor. El estator está compuesto de unas subunidades motA y motB (cada una de ellas formada por aproximadamente 300 residuos). El rotor está compuesto de FliM (~330aa), FliN (~130aa), y FliG (~330aa). Los tres componentes del motor están involucrados en la construcción del flagelo. El anillo C formado por estos componentes actúa como una especie de taza de medición que determina el tamaño del filamento en forma de gancho. Lo que sucede es que se unen aproximadamente 120 monómeros para el gancho a FliM, FliN y FliG, (4 lugares de unión cada uno). Cuando quedan llenos todos los lugares de unión, todos los monómeros quedan liberados en el acto y se forma un segmento «gancho» de una longitud específica. Después que los monómeros del gancho salen del anillo C, entra otra proteína y convierte en anillo C de un secretor de monómeros de gancho a un secretor de monómeros de flagelina. Hay un cambio en la especificidad del anillo C respecto a los monómeros que acepta. De modo que FliG es importante para el montaje flagelar en cuanto parece que se precisa de los 200 residuos N-terminales de FliG. De hecho, si se distribuyen los 331aa de FliG en segmentos de 10aa cada uno, las mutaciones de deleción de los segmentos 11, 13, 16, 17, 20, 21, y 27 dan como resultado una falta de formación adecuada de flagelo y evidentemente de la función de motilidad. Asimismo, las bacterias con mutaciones de 1, 3, 12, 14, 15, 22, 23, y 26 de FliG son completamente "no flageladas".10
Esto significa que la pretensión de
Matzke de
que FliG, como
parte del complejo protosecretor, «se retiene solo para
estabilizar/apoyar el
complejo secretor coadaptado y el anillo FliF, y [es] por otra parte
vestigial»
carece totalmente de sentido. Naturalmente, Por lo que se refiere a la función de rotación, FliM y FliN son responsables de conmutar el movimiento en uno y otro sentido — no de la creación efectiva de los pares de fuerza. Sin embargo, FliM y FliN siguen siendo necesarias para la construcción del flagelo. Consideremos ahora brevemente el FliF (complejo de poros de la membrana del anillo MS central con ~550aa). FliF no tiene homólogos conocidos fuera de los sistemas SSTT (que se consideran evolucionados a partir del sistema flagelar — no al revés). Incluso dada su existencia protoformal, tratar de elaborar una explicación de cómo un flagelo o filamento pudo haberse adherido al mismo de una manera beneficiosa por azar constituye un verdadero reto. La construcción de los filamentos incluso más simples es bastante complicada, como se ha descrito más arriba. Hay diversas proteínas chaperonas involucradas en el acarreo de monómeros específicos a su emplazamiento justo en el momento preciso y en el plegado y en la unión entre sí de forma específica. La construcción de un pilus aparentemente simple es, en realidad, extremadamente compleja. La construcción de un flagelo hueco en su emplazamiento mediante la adición de monómeros en el extremo distal es extraordinariamente complicada. Dados estos pocos hechos presentados hasta
ahora, tengo solo
unas pocas preguntas. Matzke sugiere que FliG no tuvo que evolucionar
con FliF
como parte del apartado exportador. ¿Cómo se puede
explicar esto si
FliG es
actualmente necesaria para la construcción del flagelo? Si FliG
no
evolucionó
con FliF, ¿no sería entonces necesario no solo que se
uniera
enérgicamente a
FliF de una manera que venciera las fuerzas de cizalladura de la FliG
giratoria,
sino también de una manera que ayudase en la construcción
del flagelo?
De modo
que no solo FliG tiene que unirse con FliF, sino que además ha
de
presentar
especificidad en su lugar para un cierto tipo de monómero
filamentoso.
Esto es,
sin la especificidad para la flagelina de FliG, no se forma el flagelo.
Cuando
el flagelo comienza a formarse en la vida real, el anillo MS (FliF) y
el anillo
C (FliG N-terminal + FliN + FliM) tienen que formarse primero, o no se
formará
el flagelo. Esto parece insoslayable. Quizá se dirá que sería
más fácil si FliG
estuviera ya unida a FliF
— si originalmente FliG hubiera evolucionado con FliF. En tal caso ya
existiría
especificidad para el monómero filamentoso en su lugar y el
filamento
flagelar
ya podría estar en su lugar, ¿cierto? Pero, en tal caso,
¿cómo podrían
motA/B unirse
a FliG de una manera beneficiosa? Hay una buena cantidad de residuos
muy
específicos que tienen que alinearse justo en el orden correcto
para
que la
fuerza motriz protónica de motA/B se transfiera a fuerza de par
de FliG
— y
esto es además de la simple unión preferencial de motA/B
con FliG +
FliF, ¿no
es cierto? De modo que, como vemos, se mire como se mire,
se precisa de
algo más que una mera unión FliF-FliG. ¿De
qué serviría la
especificidad de FliG
por la flagelina si no estuviera unida primero a FliF? ¿Y de
qué
serviría la
especificidad de FliG por la fuerza motriz protónica de MotA/B
si no
estuviera
primero unida a MotA/B? Esta especificidad involucraría, con una
certidumbre
prácticamente total, unas pocas diferencias de posición
de residuos
adicionales
a partir de las «proto-formas» originales. Y lo más
probable es que
estas
diferencias precisas no fuesen secuencialmente beneficiosas de una
forma que la
selección natural fuese a impulsarlas adelante. Más allá de todo esto, no va a
darse un grado
de unión
susceptible de selección entre FliG y FliF con solo una o dos
posiciones de
residuos correctos en su sitio de entre las 46 posiciones de residuos
bastante
específicos que se emplean para unir FliG con FliF en los
flagelos
modernos.
Para vencer los efectos de sacudida del movimiento browniano, el
flagelo tiene
que girar muy rápidamente (~100–300 rotaciones por segundo
durante 3-4
segundos). Esto significa que se tienen
que vencer un
montón de fuerzas de inercia y de cizalladura para mantener FliG
conectado con FliF. Tendría que
haber una
cantidad significativa
de los 46 residuos de unión, que funcionan a manera de
enganches, todos
a la
vez, a fin de vencer estas fuerzas de cizalladura en cualquier grado
susceptible de selección. De hecho, los experimentos de
deleción
sugieren que
solo el segmento 4 N-terminal de FliG puede soportar algún
cambio
significativo
sin una completa pérdida de Los experimentos realizados con mutaciones de
FliF muestran que
un «corto segmento de C-terminal» de 9 residuos
aminoácidos
«fundamentales» es
imprescindible para la «construcción del flagelo».
Obsérvese que este
proceso
de construcción tiene lugar en un momento en el que el motor
está
parado y en
que no hay rotación de FliG. Los autores siguen diciendo que
«la
eliminación o
sustitución de hasta 10 aminoácidos inmediatamente encima
de la región
fundamental resultaron en un flagelo paralizado».11 Esto parece
bastante especificado. No solo no se puede eliminar ninguno de estos
10aa, sino
que ninguno de ellos puede sustituirse por ningún otro tipo de
residuo
de
aminoácido. Los autores afirmaron que la eliminación o
sustitución de
10
residuos adicionales resultaron en la parálisis del flagelo.
Así,
parece que la
rotación flagelar exige algo estructuralmente específico
además de lo
que exija
la formación del flagelo. Tiene que haber en su sitio alrededor
de 19 residuos de aminoácidos de Puede que a primera vista un vacío no benéfico de solo 19 residuos específicos necesarios en una posición específica en el genoma no parezca gran cosa, pero este vacío precisaría literalmente de billones y billones de años de tiempo medio para que una población constituida por todas las bacterias del mundo (~1030 individuos) pudieran salvarlo. De hecho, ni uno solo de los pasos evolutivos propuestos por Matzke u otros se ha demostrado como factible en ningún experimento de laboratorio. Ni tan solo uno. Sin la capacidad de poner a prueba estas historias en el laboratorio, son simplemente cuestiones no susceptibles de falsación y por ello, por definición, no tienen apoyo en el método científico. Puede que a muchos les parezca extraño siquiera considerar esto, pero esta clase de pretensiones acerca de la evolución de funciones complejas, del orden de complejidad que encontramos en el sistema flagelar, no son ciencia en absoluto —no son ni siquiera teorías. Como mucho son proposiciones no sometidas y quizá imposibles de someter a ensayo. Dicho claramente, estas «historias» sobre evolución flagelar son sencillamente esto —historias. Y cuando se examinan con cierto detalle, no parecen convincentes ni siquiera sobre el papel. Simplemente, todo esto parece ser algo más complicado de lo que Matzke y otros científicos evolucionistas parecen querer enseñar. Consideremos una observación de Keiichi Namba (director del programa de todo un equipo de científicos dedicados a estudiar con detalle los diversos pasos de la construcción del flagelo): «Una enorme cantidad de estas macromoléculas cumplen cada papel precisamente como máquinas diseñadas con un propósito y mantienen las actividades del complejo sistema.»12 Y junto con
William Dembski, como él
observa en su propia reseña del artículo de Matzke,
consideremos las
palabras
de Lynn Margulis: «Lo mismo que un tentempié de
bollería dulce que
entretiene
el hambre por un momento pero que nos priva de alimentos más
nutritivos, el
neodarwinismo satisface la curiosidad intelectual con abstracciones
vacías de
verdaderos detalles — metabólicos, bioquímicos,
ecológicos o relativos
a la
historia natural» (citado de Acquiring
Genomes, p. 103).13
Apéndice - Tablas
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
