O MESTRE ARTESÃO DA BIOLOGIA EVOLUTIVA: UMA ENTREVISTA COM RICHARD LENSKI.

A teoria da evolução é muitas vezes descrita em termos heróicos como uma das grandes realizações intelectuais de todos os tempos. No entanto, é também muitas vezes descrita em termos mais humildes como um “kit de ferramentas” para a compreensão de como a natureza funciona. A maioria dos evolucionistas não trabalham todas as manhãs com o movimento final da 9th sinfonia de Beethoven tocando em suas cabeças. Em vez disso, eles aparecem em seus trabalhos como um carpinteiro ou encanador, formando opiniões e situações, para alcançar as ferramentas apropriadas de seu kit de ferramentas para fazer seu trabalho.

Créditos de imagem : Zachary D. Blount, Michigan State University.

Créditos de imagem : Zachary D. Blount, Michigan State University.

Algumas dessas ferramentas são físicas – as placas de Petri para microbiologistas, redes de borboleta para entomologistas, reagentes e instrumentos de biólogos moleculares. Mas as ferramentas mais importantes do conjunto de ferramentas evolutiva são conceituais -determinados modos de pensar que podem ser usados para estudar qualquer propriedade de qualquer criatura viva. É o conjunto de ferramentas conceitual que dá a teoria evolucionária sua incrível generalidade.

Acima: Richard Lenski é Distinguished Professor John Hannah de Ecologia Microbiana na Michigan State University. Ele estuda os mecanismos genéticos e processos ecológicos que produzem evolução. Abaixo: David Sloan Wilson é o Professor SUNY Distinguished de Biologia e Antropologia da Universidade de Binghamton e Arne Naess Chair in Justiça Global e Meio Ambiente da Universidade de Oslo

Acima: Richard Lenski é Professor John Hannah Distinguished Professor of Microbial Ecology at Michigan State University e estuda os mecanismos genéticos e processos ecológicos que produzem evolução. Abaixo: David Sloan Wilson é o Professor de Biologia e Antropologia da Universidade de Binghamton e Arne Næss Chair in Global Justice and the Environment da Universidade de Oslo

Se você quer aprender um ofício, em seguida, terá de observar um mestre artesão. Esse rótulo certamente se encaixa Richard Lenski, que se tornou mundialmente famoso por presidir o mais antigo experimento evolutivo de todos os tempos, com a bactéria E. coli, que já ultrapassou 65 mil gerações. A pesquisa de Lenski tem sido amplamente divulgada na mídia popular. Minha razão para entrevistá-lo (David Sloan Wilson) para esta visão da vida não é só para mostrar sua pesquisa, mas também para mostrar como sua pesquisa ilustra o conceito da teoria da evolução como um kit de ferramentas conceituais.

DSW: Saudações, Rich, e bem-vindo a esta visão da Vida. Você é muito procurados e obrigado por concordar com esta entrevista.

RL: O prazer é meu, David. Eu quero aproveitar essas oportunidades amplas e abertas para falar sobre ciência e evolução.

DSW: Eu gostaria de começar com alguns dados pessoais. Seu pai era um sociólogo (Gerhard Lenski) e sua mãe era um poeta (Jean Lenski). Como você se tornou um evolucionista?

RL: Como um monte de escolhas que fazemos, isso não aconteceu tudo de uma vez. Ambos os meus pais cresceram em famílias religiosas, e fomos à igreja toda semana enquanto eu estava crescendo. No entanto, os meus pais não só aceitaram a realidade da evolução, como ficaram fascinados por ela. Ela influenciou o trabalho tanto do meu pai em sociedades humanas quanto a poesia da minha mãe. Então, eu estava exposto ao pensamento evolutivo como uma criança, e de uma forma positiva. Por outro lado, eu não era um naturalista. Eu adorava praticar esportes e caminhadas, mas eu não era uma daquelas crianças que brincava com cobras, pássaros ou insetos.

Eu particularmente não gosto do meu colegial na aula de biologia. Mas quando eu estava na faculdade, fiz um curso non-majors (curso universitário) que foi ministrado por um pequeno corpo docente de biologia em Oberlin. Cada um deles falou sobre as coisas que realmente se preocupava, e eu fiquei viciado. Eu acabei tendo muitas cursos de biologia e gostava de todos eles. Olhando para trás, três deles tiveram impactos especialmente duradouros. David Egloff ensinou um curso de ecologia que me animou porque havia tantas perguntas interessantes e não atendidas e menos detalhes técnicos para ser dominado que na maioria dos cursos de ciências. Jim Stewart era um jovem de substituição sabático; ele ministrou o curso de evolução do ano eu aceitei. Tivemos dois textos, um de Ernst Mayr Populations, Species, and Evolution e de Loren Eiseley Darwin’s Century. O livro de Eiseley traçou os antecedentes para o trabalho de Darwin, bem como os desafios que ele enfrentou em sua época, e continua sendo um dos meus favoritos de todos os tempos. Por último, mas não menos importante, Dick Levin ministrou um curso sobre genética molecular que, olhando para trás, foi provavelmente o mais importante que eu tomei. Nós usamos um texto maravilhoso por Gunther Stent que traçou a história desse campo, se concentrou em quais perguntas começaram neste campo e como incrivelmente experimentos elegantes foram concebidos para responder a essas perguntas. O fato é que bactérias e vírus foram usados em muitas dessas experiências e era algo que eu pensei quando eu estava na faculdade e ponderando meus próprios rumos do futuro.

DSW: Muito obrigado! Gosto de ouvir histórias sobre como as pessoas se tornaram cientistas. É uma maneira de desmistificar a ciência. Outro fato sobre você é que você não decidiu estudar microrganismo até depois de ter concluído a sua pesquisa de doutorado, que foi sobre a ecologia de insetos. Isto significa que, em alguns aspectos, você tinha que dominar um conjunto completamente diferente de ferramentas como uma reciclagem de carpinteiro para se tornar um encanador. No entanto, em outros aspectos, você estava empregando as mesmas ferramentas conceituais para estudar microrganismo que você fez para estudar insetos. Por que você decidiu mudar e como sua formação evolutiva te preparou para fazer a troca?

RL: Eu realmente nunca procurei ser um ecologista de campo. Eu era bom com os conceitos e modelos, mas esforcei-me para encontrar um sistema que era ao mesmo tempo dócil e interessante para mim. Marcação e recaptura é esta técnica maravilhosa conceitualmente, mas fazê-la funcionar com besouros em estado selvagem é muito mais difícil. Além disso, meu orientador na Universidade da Carolina do Norte, o falecido Nelson Hairston, Sr., empurrou ecologistas para fazer experimentos de manipulação, não apenas observações descontroladas. A área da ecologia é ainda mais difícil, embora ele deixou uma impressão duradoura sobre a forma como eu faço ciência. Mas eu percebi que insetos, experimentos de campo, e minhas próprias habilidades não eram um bom jogo.

Além disso, enquanto eu estava na faculdade, fiz um curso de Janis Antonovics (então na Universidade de Duke, agora na Universidade da Virgínia), que ele chamou de “Genética ecológica”. Uma de suas principais mensagens, como ele escreveu em um artigo instigante (1976, Syst. Bot. 1, 233-245), foi que “A distinção entre ‘tempo ecológico’ e ‘tempo evolutivo’ é artificial e enganosa. Mudanças de ambos os tipos podem ser em qualquer escala de tempo: mudanças genéticas e ecológicas ocorrem frequentemente e são simultâneos “Isso deixou-me realmente animado com a ideia de que a evolução não era apenas uma ciência-museu sobre história, mas em curso um processo que poderia ser visto e estudado experimentalmente. Phil Service (um estudante companheiro de graduação) e eu passamos longas horas discutindo como podemos integrar ecologia e evolução para nossa futura investigação, e que sistemas poderíamos usar. Phil resolveu estudar as moscas-de-fruta no seu pós-doutorado, e eu pensei sobre isso também. Mas lembrei-me os experimentos elegantes com bactérias e vírus que formaram a base da genética molecular, e eu achava que eles deveriam ser valiosos para a pesquisa evolucionária, também. Então eu comecei a ler papers e à procurar potenciais patrocinadores de pós-doutorado fazendo um trabalho relacionado. Não havia muitos naqueles dias, mas um deles era Bruce Levin (então na Universidade de Massachusetts, Amherst, agora na Universidade de Emory). Eu estava particularmente interessado no trabalho que ele fez com seu aluno Lin Chao (agora na Universidade da Califórnia, San Diego), em co-evolução entre as bactérias e os vírus que as infectam. Escrevi para Bruce sobre a possibilidade de trabalhar com ele, e para minha sorte, ele me convidou para uma visita e, em seguida, deu-me uma chance, mesmo que eu não tivesse experiência em trabalhar com microrganismos. Na verdade, Bruce já tinha refeito duas vezes a si mesmo; ele começou em genética humana, mudou-se para trabalhar em moscas-de-fruta, e depois como um membro jovem da faculdade mudou para microrganismo.

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Apesar de querer fazer a troca de ecologia de campo, eu também estava preocupado: Será que vou sentir falta de trabalhar ao ar livre? Será que vou achar o trabalho de laboratório muito difícil? Ou talvez chato? Na verdade, eu amei imediatamente. Não que eu era bom nisso. Mas eu gostei do imediatismo do feedback e de espalhar bactérias em uma placa de Petri um dia, e, em seguida, você contar as colônias no dia seguinte. E eu gostei da lógica inferencial que estava por trás de grande parte do trabalho. Por exemplo, você não vê os vírus matar as bactérias olhando através de um microscópio, mas em vez disso você contar colônias bacterianas antes e após a exposição ao vírus. E Janis Antonovics estava absolutamente certo sobre a sobreposição entre o tempo ecológico e evolutivo: uma única mutação na bactéria poderia mudar a sua densidade populacional na presença de um vírus em várias ordens de magnitude, e se o vírus persiste ou foi extinto não dependia apenas a sua própria evolução, mas também sobre se a resistência bacteriana gerou uma troca, ou o custo, em termos de redução da capacidade competitiva.

A propósito, deixe-me ser claro que a minha mudança do campo para o laboratório não é porque eu acho que é a melhor maneira de fazer ciência foi uma decisão pessoal, baseada em minhas próprias habilidades, interesses e afinidades. Na verdade, vendo o quão difícil é descobrir as coisas ainda nos confins limpos do laboratório e os sistemas simples que estudam só me fizeram ainda mais impressionado com pessoas como Peter e Rosemary Grant, que observam e dão sentido a evolução sob condições muito mais complexas e difíceis.

DSW: Certo! são necessários muitos tipos diferentes de pesquisa. No entanto, isso não significa que vale tudo. Quando você diz que não havia muitas pessoas como Bruce Levin naqueles dias, e que ele já tinha mudado de área duas vezes, você está falando de uma abordagem distinta que a grande maioria dos microbiologistas naquela época não estavam seguindo. Você queria trabalhar com Bruce e não as outras pessoas.
Muitas vezes dependem de um famoso artigo de Niko Tinbergen para descrever as principais ferramentas conceituais do conjunto de ferramentas evolutiva. Como você sabe, Tinbergen foi um pioneiro no estudo do comportamento animal (chamado de etologia) e dividiu o Prêmio Nobel de Medicina com Konrad Lorenz e Carl Von Frisch em 1973. Naquela época, não era óbvio que um comportamento como agressão poderia evoluir por seleção natural, da mesma forma como um traço físico, como os chifres de um veado. Em seu esforço para explicar como etologia é um ramo da biologia, Tinbergen descreveu como quatro perguntas precisam ser feitas sobre todos os produtos da evolução, sobre a função, história, mecanismo, e desenvolvimento. Fazendo todas as quatro perguntas em conjunto com outras constitui uma abordagem evolutiva totalmente arredondada. Eu vejo a sua investigação como um exemplo desta abordagem em um organismo que permite a um extraordinário grau de manipulação experimental. Que é (mais ou menos) como você vê isso?

RL: Eu certamente apreciar a distinção entre causas próximas e últimas. Eu diria que eu estava realmente mais interessado neste último quando eu comecei. Mas depois de trabalhar tanto tempo com um organismo modelo como a E. coli, e com a vantagem de colaboradores talentosos e estudantes que têm diferentes habilidades e interesses, eu percebi a oportunidade de integrar as coisas e aprofundar mecanismos. Uma coisa que eu luto, porém, é como usamos o termo “mecanismo” – para muitos biólogos, parece significar apenas explicações moleculares ou químicos. Mas eu diria que a seleção natural é um mecanismo, também, ele só opera em um nível diferente.

DSW: Claro – não há nenhuma razão por que o termo “mecanismo” não possa ser usado para descrever a seleção natural em certos contextos. Acho que o que Tinbergen foi chamando a atenção para a questão da “função” e a capacidade de raciocinar sobre as propriedades dos organismos com base na adaptação e seleção natural, sem qualquer referência a seus genes ou constituição física. Podemos confiantemente prever que muitas espécies do deserto vão evoluir para ser coloridas para evitar serem vistas pelos seus predadores e presas, independentemente deles serem insetos, caracóis, anfíbios, répteis, aves ou mamíferos de areia. Enquanto há uma variação hereditária fenotípica na coloração, os genes e constituição física desses organismos muito diferentes (quitina para insetos, escalas para répteis, penas de aves, pele de mamíferos) pode ser ignorado em fazer esta previsão. Chamamos isso de “pensamento adaptacionista” ou “pensamento de Seleção Natural”. Isso é como Darwin e Wallace puderam fazer tanto progresso e desenvolver sua teoria, não saber nada sobre genes e pouco sobre a constituição física de organismos, continua a ser uma das ferramentas mais poderosas do kit de ferramentas evolutiva.

RL: Eu concordo completamente. Quando eu ensino os alunos ou dou palestras para pessoas que ouvem muito hoje sobre genes e de DNA, ressalto que Darwin não sabia nada sobre a base material da hereditariedade. Ele sabia que havia hereditariedade, e ele sabia que era importante para a sua teoria, mas ele não sabia como funcionava. E ele estava ciente sobre sua ignorância, ele escreveu no A Origem das Espécies que “a nossa ignorância das leis de variação é profunda.” Daniel Dennett disse muito bem que “o processo de seleção natural é substrato neutro”. É por isso que Darwin e Wallace podiam começam a dar sentido a evolução sem saber nada sobre a base bioquímica da hereditariedade.

DSW: É por isso que você pode ter uma linha separada da pesquisa sobre organismos digitais, mas isso é outra história. No caso da experiência com E. coli, criada doze linhagens isoladas de E. coli, e cresce-las sobre um meio de cultura líquido com a glicose como a fonte de energia principal. Também tinha a incrível capacidade de criar um registro fóssil congelado e trazer de volta a vida ancestrais para comparar com seus próprios descendentes. Você poderia prever com confiança que a E. coli iria evoluir uma maior capacidade de utilizar a glicose como fonte de energia neste ambiente, tão certo como animais do deserto podem evoluir para ser da cor da areia. É isso que você encontrou?

Sem títuloRL: É isso mesmo. Quando comecei a trabalhar com bactérias, um dos apelos óbvios era suas gerações rápidas. Isso é o que nos permite ver a evolução em ação. Mas agora eu percebo que a habilidade de congelar as bactérias e trazê-las de volta à vida é uma parte ainda mais importante do nosso trabalho. Ela nos permite comparar e até mesmo diretamente competir com organismos que viveram em épocas diferentes. Com o efeito, podemos fazer experiências de viagem no tempo.

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E sim, todas as 12 linhas tornaram-se muito melhor no uso de glicose. Elas crescem mais rápido do que o ancestral, eles são mais eficientes, e elas competem com o ancestral no meio de glicose, onde eles evoluíram. Para um biólogo evolucionário, estas alterações não são surpreendentes. Mas é uma boa, clara e simples demonstração de adaptação por seleção natural em tempo real.

DSW: Agora vamos voltar à pergunta “História” de Tinbergen. Mesmo que cada uma de suas linhagens isoladas respondam a seleção, eles fizeram isso de maneiras diferentes. Afinal de contas, as mutações genéticas são eventos fortuitos, por isso é extremamente improvável que exatamente as mesmas mutações ocorram nas diferentes linhagens. Como é possível para cada linha evoluir a mesma adaptação em termos funcionais (capacidade de utilizar a glicose), mas com diferentes mutações genéticas e vias metabólicas?

RL: Um dos pontos importantes que você levanta é que as mudanças que vemos no LTEE – que é a nossa forma abreviada para a long-term evolution experiment (ou experiência de evolução a longo prazo) depende inteiramente de novas mutações que ocorreram durante o experimento. Claro, a variação genética é necessária para a adaptação por seleção natural. Na maioria dos sistemas, seja moscas-de-fruta no laboratório ou tentilhões em Galápagos, há um monte de variações genéticas presentes no início de um estudo. Mas na LTEE, todas as alterações que vemos são alimentadas por novas mutações que surgem durante o curso da experiência.

Há certamente uma grande quantidade de diferentes mutações que podem ocorrer. Assim, considerando mutações pontuais, existem cerca de 14 milhões de possibilidades: existem 4,6 milhões de pares de bases no genoma da estirpe de E. coli que utilizar, e existem 3 alternativas no código genético em cada uma dessas posições. Além disso, há deleções, inserções, e outros tipos de mutações. Na verdade, porém, é surpreendentemente provável que exatamente as mesmos – pelo menos as mesmas mutações – possam ocorrer em todas as populações porque as populações são tão grandes. Sem passar pela matemática, eu estimo que algo como um bilhão de mutações pontuais tenham ocorrido em cada uma das 12 populações ao longo do LTEE. Isso é muito mais do que existe em diferentes mutações pontuais, o que significa que todas as possibilidades já foram tentadas muitas vezes. Dito isto, no entanto, a maioria das mutações, mesmo mutações que são mais benéficas, tenham sido perdidas devido a deriva genética aleatória antes que possam ganhar uma posição em uma população em evolução. Além disso, as mutações não ocorrem na mesma ordem em diferentes populações devido a estes efeitos aleatórios. E como algumas mutações benéficas ganham uma posição, sobem em abundância, e, eventualmente, ficam fixas em uma população, eles mudam o fundo genético, ou contexto, em que surgem as mutações futuras. Assim, enquanto o conjunto de mutações de um só passo pode ser razoavelmente finito, pelo menos, dado o grande tamanho das populações de bactérias, o número de possíveis caminhos é essencialmente infinito. Acho que isto é realmente emocionante!

Voltando aos nossos resultados sobre como as bactérias se adaptaram à glicose, uma das coisas que é gratificante de uma longa experiência é como as novas tecnologias têm surgido ao longo do tempo e que eu nunca poderia ter imaginado. O genoma foi sequenciado quando comecei a=o LTEE, mas agora temos sequenciado centenas de genomas para encontrar as mutações que se acumularam ao longo do caminho. O que vemos é uma mistura fascinante de previsibilidade e imprevisibilidade. Por um lado, nós quase nunca vemos exatamente a mesma mutação sendo corrigida nas mesmas duas populações replicadas. Por outro lado, vemos muitos casos, muito mais do que você esperaria por acaso, onde os mesmos genes têm mutações diferentes em vários ou mesmo em todas as 12 populações. Estes são os casos, então, de uma evolução paralela, onde linhagens evolutivas de forma independente encontram soluções semelhantes para algum desafio ambiental.

Agora você pode se perguntar, talvez essas mudanças paralelas não ocorram porque a seleção favoreceu as mudanças fenotípicas causadas pelas mutações, mas em vez disso os genes são de alguma forma hotspots de mutação. Isso é plausível, mas outra coisa agradável é sobre como trabalhar com E. coli e que podemos cavar mais fundo e testar a nossa hipótese de que estas mutações paralelas conferem uma vantagem. Nós podemos fazer construções isogênicas em que nós movemos mutações individuais ao redor, mantendo todo o resto igual, e depois colocamos estirpes para competir com e sem uma mutação de interesse. Nós fizemos isso para alguns dos genes que temos visto mudanças paralelas, e na maioria dos casos confirmamos que essas mutações proporcionam uma vantagem mensurável nas condições onde elas evoluíram.
Mas contra este pano de fundo de paralelismo, ou repetibilidade, quanto mais o LTEE tem funcionado, mais vemos que cada população realmente está seguindo o seu próprio caminho. Algumas das diferenças são sutis, mas outras são mais dramáticas. Deixe-me dar alguns exemplos:

– A estirpe ancestral começou com uma pequena taxa de mutação, mas seis populações evoluíram hipermutabilidade, o que aumenta a taxa de ponto de mutação em cerca de 100 vezes.
– Uma população evoluiu um polimorfismo estável em que duas linhagens ecologicamente distintas, e têm co-existido por mais de 50 mil gerações.

– Outra população evoluiu a capacidade de utilizar uma segunda fonte de carbono, chamada de citrato, que nem o antepassado nem qualquer uma das outras linhagens podia utilizar; o citrato está no meio como um agente quelante, e E. coli não podem normalmente crescer nele.

– Mais sutilmente, uma população foi presa no degrau mais baixo, por assim dizer, por um longo tempo; Ou seja, dezenas de milhares de gerações tem sido consistentemente menos aptas do que quaisquer outras populações.

Então, o que vemos é esta tensão profunda entre acaso e necessidade, entre a aleatoriedade das mutações e deriva genética, por um lado, e a previsibilidade da seleção natural, uma vez que descobre soluções semelhantes quando as populações idênticas, são confrontadas com os mesmos desafios ambientais. E os dois conjuntos de forças – o ao acaso e o previsível, por assim dizer – juntos dão origem ao que chamamos de história.

DSW: Espetacular! Isso é o que faz com o LTEE tão grande. Você já assinalou que todas as suas linhas começaram com um único clone geneticamente idêntico. Depois de 2000 gerações, você começou uma segunda experiência, mantendo o primeiro. No segundo experimento, você trocou a principal fonte de energia para maltose em vez de glicose. O que aconteceu e como foi a adaptação ao novo recurso, diferente do que a primeira experiência, com base na história de 2000 geração de cada uma das linhagens?

RL: Sim, todos eles começaram da mesma estirpe ancestral, com exceção de um marcador genético que foi incorporado na experiência para contar linhagens de intervalo. Como parte de sua dissertação, Mike Travisano (atualmente professor da Universidade de Minnesota) mostrou que, enquanto as 12 populações estavam igualmente se encaixando quando eles competiram no mesmo ambiente que a LTEE, eles eram muito mais heterogêneos se competissem em ambientes com diferentes açúcares a partir da glicose, em que tinham evoluído para, nessa altura, 2000 gerações. Um dos açúcares alternativos foi maltose-curiosamente, que é di-glicose, mas isso fez uma grande diferença. Algumas das populações que se desenvolveram em glicose eram muito menos aptas do que as outras quando competiram por maltose e, de fato, alguns deles eram ainda menos aptos do que seu ancestral. Mike então perguntou o que aconteceria se as linhagens evoluíssem da glicose e foi dada a oportunidade de evoluir em 1000 gerações em um mesmo ambiente, exceto com maltose, em vez de glicose como o recurso limitante. Será que a história seria destinada? Será que as diferenças oportunidades que surgiram enquanto eles evoluíram em glicose restringiram o seu futuro potencial em maltose? Ou será que a história seria apagada, com os retardatários que alcançaram os líderes porque eles tinham mais caminhos para melhoria? Quando Mike rodou esta experiência, a seleção dominou a história, isto é, os retardatários quase pegaram os líderes. Assim, apesar das grandes diferenças no crescimento em maltose que surgiram durante as últimas 2000 gerações de glicose, depois de 1000 gerações em maltose todas as linhas tinham igualmente elevado de fitness nesse novo ambiente.
No final desse paper, no entanto, reconheceu-se que as restrições impostas pela história podem se tornar mais importantes, ou mesmo insuperáveis, em uma escala de tempo mais longa. Nós escrevemos que “a pegada da história pode eventualmente tornar-se muito profunda para ser obscurecido ainda que por seleção intensa”. Quanto mais tempo o LTEE corre, mais vemos que cada população tem o seu próprio caminho evolutivo e personalidade, às vezes as diferenças são grandes, e às vezes eles são sutis. Mas isto levanta a possibilidade de que algumas populações podem, e eventualmente, ficam tão pobres no uso de maltose que, se mudarem para um ambiente de maltose, elas seriam extintas ou pelo menos levariam muito mais tempo do que 1000 gerações para se tornar bem adaptado a este açúcar. Na verdade, um estudante atual, Jay Bundy, está começando a encarar exatamente essa pergunta: quanto tempo leva para a história tornar-se tão profunda que apresenta um sério obstáculo à futura evolução?

DSW: Impressionante! Agora vamos voltar à pergunta do “mecanismo” de Tinbergen. Por isso ele quis dizer que cada traço tem uma base física, que deve ser entendida para além da sua base funcional. Voltando ao meu exemplo de coloração no deserto, mesmo se podemos ignorar os genes e composição física das diferentes espécies, enquanto o modo de raciocínio em “pensar em adaptação”, a coloração críptica tem uma base genética e física em cada espécie. Uma das grandes vantagens de trabalhar com E. coli é que muito se sabe mecanicamente sobre elas. Como é que você e seus colegas empregam este nível mecanicista da compreensão em sua pesquisa?

RL: Em alguns casos, sabemos muito pouco sobre os mecanismos de como as bactérias foram alteradas e adaptadas ao seu ambiente. Por exemplo, sabe-se que a população ganhou a nova capacidade de se alimentar de citrato e que foi necessária uma mutação complexa que reuniu dois segmentos de DNA, um que codifica uma proteína e o outro que levou a proteína a ser expressa num novo contexto. Como você disse, trabalhando com um organismo como a E. coli e que tem sido estudado por centenas de cientistas há décadas – fornece um reservatório de conhecimento mecanicista. Mesmo assim, às vezes encontramos mutações e, em seguida, por manipulação genética, que mostram que o gene mutante é importante, mas ainda não entendemos por que funcionalmente a mutação é benéfica. Um desafio é que muitos dos genes que mostram evolução, os paralelos aqueles que sabemos ou que sao fortemente suspeitos são importantes, têm funções complexas, de alto nível. Alguns são chamados de “reguladores globais” porque influenciam muitos processos de nível inferior. Primeiramente, foi surpreendente para mim que essas funções críticas mudaram em um experimento como o LTEE. Eu suspeito que o que está acontecendo é que esses reguladores globais estão integrando e equilibrando demandas concorrentes na célula e, no LTEE nós removemos algumas exigências – não há necessidade de resistir sais biliares ou vírus, por exemplo, ao fazer os outros ainda mais importantes do que na natureza – só há a glicose para se alimentar, para uma célula melhor obtê-lo rapidamente, antes que as outras células ter comido tudo.

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Minha esperança é que vamos atrair bioquímicos, fisiologistas, e biólogos moleculares para estudar as linhagens de LTEE, especialmente à medida que publicarmos as  análises genômica que apontam para o envolvimento de determinados caminhos bioquímicos e metabólicos. Eu acho que há muito mais ainda a ser aprendido, mesmo em um organismo bem estudado como a E. coli, através da combinação de abordagens reducionistas e integrativas. É importante compreender que o fitness – se preferir, a aptidão reprodutiva – é p árbitro final do sucesso em um contexto evolutivo e o mais integrador de todos os traços fenotípicos. Em termos de processos celulares, tudo e qualquer coisa poderia significar que e os processos estão todos ligados, pelo menos indiretamente, através das piscinas bioquímicas e fluxos nas células. Assim, uma compreensão mais profunda vai exigir uma abordagem de nível de sistemas evolucionários integrados, e não o “quebrá-los e ver o que acontece” em um abordagem que tem sido muito utilizada para atomizar organismos em suas partes.

Mencionei o belo trabalho de Peter e Rosemary Grant em tentilhões de Darwin em Galápagos, e eu gostaria de contrastar os desafios de seu trabalho e nosso no LTEE. Peter e Rosemary são naturalistas talentosos e podem ver o que é importante para as aves em termos de obtenção de alimentos, encontrar companheiros, e assim por diante. Através da observação cuidadosa, eles vêem que características como o tamanho e a forma dos bicos dos tentilhões importa para a abertura de sementes. Mas muito mais difícil para eles é mostrar, como têm feito, duas coisas: primeiro, que as diferenças sutis em bicos realmente afetam a sobrevivência e sucesso reprodutivo das aves; e segundo, que essas diferenças na morfologia do bico são, pelo menos em parte, herdada. Essas são coisas muito difíceis para fazer com as aves, enquanto trabalhava em uma ilha remota, mas eles conseguiram fazê-las. Com a E. coli e o LTEE, temos o problema inverso. Por um lado, é bastante simples de seguir muitas gerações bacterianas e mostram que os descendentes são mais aptos e replicar mais rapidamente do que os seus antepassados. E com a sequenciamento do genoma e manipulações genéticas, podemos encontrar diferenças genéticas e até mesmo identificar quais mutações nos importam. Mas realmente, se abrir a “caixa preta” – compreender como é o funcionalmente de uma mutação e o que faz com que um genótipo seja mais apto do que o outro, continua a ser um problema difícil para nós na maioria dos casos.

DSW: A comparação com pesquisa dos Grants é realmente adequada. Eu sei que, através de colaborações, eles estão recebendo os mecanismos próximos também. Finalmente, chegamos à pergunta de Tinbergen sobre o “desenvolvimento”, que requer a compreensão de como uma determinada característica vem a ser durante a vida de um organismo, para além da base mecanicista da característica totalmente desenvolvida. O conceito de desenvolvimento faz sentido em uma bactéria tal como E. coli? A sua pesquisa inclui a quarta questão de Tinbergen?

RL: Eu acho que depende de definições. Uma vez que E. coli é um organismo unicelular, ele não tem de desenvolvimento no sentido usual. Mas as células têm um ciclo de vida de tipos e vidas sobre os quais as circunstâncias mudam. Compreender como bactérias obtém informações de seus ambientes e usar essa informação para ligar genes dentro e fora tem sido uma parte da genética microbiana, como exemplificado por François Jacob e da obra de Jacques Monod sobre o operon lac, que ganhou um Prêmio Nobel. Esse trabalho também foi muito influente em levar as pessoas a pensar sobre o papel da regulação genética no desenvolvimento de organismos multicelulares.

Pensando em histórias de vida no contexto da LTEE, todos os dias, as bactérias foram diluídas em meio fresco, e cada dia eles experimentam uma série de fases de crescimento que correspondem a diferentes estados fisiológicos. Há uma fase de latência quando as células estão se preparando para começar a crescer novamente nos recursos renovados. Isso é seguido por um crescimento exponencial, quando a população celular está crescendo à taxa máxima para as condições. Mas, como o aumento do número de células, eles atraem a glicose e, uma vez que está esgotado, eles entram no que é chamado de fase estacionária. Eles não morrem sensivelmente durante a fase estacionária, pelo menos não quando é bastante breve como no LTEE. De qualquer forma, nós descobrimos que as bactérias não só evoluem mais rapidamente o crescimento exponencial, elas também reduzem substancialmente a duração da fase de latência antes de crescimento. Então, elas evoluíram para responder mais rapidamente a transição para meio fresco ou talvez para acabar em fase estacionária mais bem preparada para essa transição que vem.

Além disso, todas as 12 linhagens criam células que são muito maiores do que as da estirpe ancestral. Isso foi outra surpresa e parece contra-intuitivo em vários aspectos. Em primeiro lugar, organismos maiores geralmente crescem mais lentamente e têm tempos mais longos de geração do que os menores. Pense de elefantes contra ratos, por exemplo. No entanto, no LTEE evoluímos células que são maiores, crescem mais rápido, e têm tempos de geração mais curtos do que seu ancestral. Em segundo lugar, a partir de uma perspectiva funcional, se você tivesse me perguntado no início da LTEE se as células bacterianas iriam evoluir para se tornar menores ou maiores, eu teria previsto menor porque isso lhes daria uma maior proporção de área de superfície para o volume, o que parece vantajosa na aquisição de recursos. Mas as bactérias claramente tinham uma opinião diferente, por assim dizer, porque elas se tornaram muito maiores e na maioria dos casos elas são um pouco mais redondas e menores em forma de bastonete, o que reduz ainda mais a relação de área/volume. Então o que está acontecendo? Mais uma vez, eu não sei, mas acho que as células maiores podem ter uma vantagem, porque eles são maiores esponjas. Embora a sua relação área/volume é menos favorável, e cada célula grande tem mais área de superfície total do que cada célula pequena. No LTEE há uma corrida todos os dias para obter o máximo da glicose quanto possível antes que se esgote. Uma célula maior pode segurar as moléculas de glicose que engole e passa-las às suas células filhas. Então, talvez as células maiores, quando se apresentam deselegantes do ponto de vista de engenharia, são um investimento materno no futuro das crianças. Isso seria muito legal.

DSW: Hmmm. cuidado parental em bactérias! Até agora tenho sido retratando a sua investigação como a confirmação dos elementos básicos da teoria da evolução, como se todos os seus resultados poderiam ser previsto com antecedência. No entanto, eu sei que a pesquisa empírica normalmente também resulta em surpresas que ninguém poderia ter previsto antes da mão. Você já mencionou a capacidade de digerir o citrato, o que poderia ser como nós evoluindo a capacidade de digerir feno. Quais são algumas outras grandes surpresas?

RL: Os resultados são certamente consistentes com os elementos básicos da teoria da evolução. Esses elementos são muito simples e bem compreendidos: mutação e recombinação geram variação hereditária, e seleção e deriva afetam o destino de variantes. (Embora as bactérias no LTEE não tenham recombinação no sentido de troca genética.) No entanto, a partir “deste ponto de vista da vida” – para repetir as palavras de Darwin e seu nome – “infinitas formas mais belas e maravilhosas têm, e ainda estão evoluindo”. Pode parecer deprimente, com a vantagem da descoberta científica, dizer que toda a evolução se resume a alguns processos básicos. Mas a física, também, se resume a apenas algumas forças fundamentais como a gravidade, o eletromagnetismo, e as interações nucleares forte e fraca. No entanto, em conjunto, deram origem aos elementos e a química, bem como estrelas, galáxias e sistemas solares. Na mesma linha, os principais processos da evolução orgânica produzem dinâmicas e fenômenos como a especiação e a cooperação fascinante de nível superior.
Agora, de volta para algumas surpresas do LTEE que não poderiam ter sido previstas, ou pelo menos não eram o que eu esperava desde o início. Estou tentado a dizer que, além do fato de que a bactéria ser mais apta, quase tudo tem sido imprevisível, certamente os detalhes do que mudou geneticamente, mas também muitas das interessantes mudanças fenotípicas. Já mencionei várias delas: a evolução das taxas de mutação mais elevadas, as células maiores, o polimorfismo estável, apesar da simplicidade do ambiente e a evolução da capacidade de usar citrato. Sobre este último ponto, talvez o mais surpreendente foi o “Uau, isso aconteceu!” para “Gee, por que é tão difícil que apenas uma população descobri-lo mesmo depois de 60 mil gerações?”
A um nível mais abstrato, eu fui surpreendido por dois outros resultados. Quando eu comecei a LTEE, eu pensei que as populações replicadas seguiriam caminhos muito diferentes e que sua divergência seria óbvia só de olhar para as trajetórias de fitness. Na metáfora de Sewall Wright, eu imaginava que a paisagem adaptativa seria robusta, com picos múltiplos, de tal forma que as populações alcançariam diferentes níveis de condicionamento físico com base na sorte dos seus primeiros passos mutacionais.

Sem título

Como eu disse anteriormente, é o caso que quanto mais vemos o LTEE, mais vemos que as populações divergiram muito em termos de sua aptidão e genética. Ainda assim, eu fui surpreendido que as trajetórias de fitness são tão semelhantes e que tem havido muito paralelismo genético.

Ainda mais surpreendente para mim, eu pensei que as trajetórias de aptidão iriam nivelar -que as bactérias chegaria a uma assíntota, ou do limite superior, além do qual não poderia crescer mais rápido. Nós vimos uma taxa de melhoria na aptidão lenta ao longo do tempo, mas ela diminui de uma forma que se encaixa uma relação ao modelo power-law (potência/lei) que não tem limite superior, mas sim controla o logaritmo do tempo. Não só o modelo de lei de potência para ajustar os dados muito melhores do que um modelo assintótico, temos mostrado que é preditivo. Por exemplo, dada apenas a 5 mil gerações de dados de condicionamento físico, o modelo power-law prevê a trajetória muito bem para 50 mil gerações. Agora, pode muito bem haver algum último limite, mas mesmo que extrapolar a trajetória de milhões de gerações, as taxas de crescimento implícitas e efeitos de fitness que estariam sujeitas à seleção são biologicamente razoáveis e plausíveis. Os biólogos evolucionários normalmente pensam em mudar ambientes, incluindo co-evolução com outras espécies, como o que mantém a evolução acontecendo. Claro, mudanças ambientais são uma grande parte da natureza e extremamente importantes para a compreensão da evolução. Mas nossos resultados também sugerem que a evolução pode descobrir maneiras de melhorar, mesmo em um mundo constante. Espero que o LTEE possa continuar por muitos mais gerações, e aqui eu quero dizer as gerações de cientistas – para ver se esta previsão mantém-se e ver que outras surpresas emergem da potente mistura de bactérias, tempo e habilidade humana.

DSW: Esta tem sido uma explosivo! Eu acho que nossa conversa tem feito um bom trabalho descrevendo a teoria da evolução como um “kit de ferramentas” com capacidade de produzir uma catedral do conhecimento.

RL: Sim, foi muito divertido! E você me fez pensar sobre como nosso trabalho relaciona-se com quadro de Tinbergen para a compreensão da evolução.

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