Monitoreo de mutaciones con microfluidos
Bacterias en la máquina madre que muestran mutaciones de replicaciónMARINA ELEZ Y JEAN OLLIONLas mutaciones son la fuerza impulsora de la variación y evolución de la vida, sin embargo, la mayor parte de lo que se sabe sobre la dinámica mutacional se basa en la inferencia de medidas indirectas. Ahora, un grupo de investigadores en Francia ha utilizado un dispositivo de microfluidos que permite la observación simultánea de cientos de células individuales de Escherichia coli a medida que se dividen y mutan a lo largo de múltiples ciclos de replicación. El equipo informa los hallazgos del dispositivo, llamado «máquina madre», en Science hoy (15 de marzo).
“Las mutaciones son fundamentales para la biología” Martin Ackermann, ecólogo microbiano molecular del Instituto Federal Suizo de Tecnología en Zúrich que no participó en el estudio, escribe en un correo electrónico a The Scientist. «Por un lado, son la base de la innovación evolutiva y de la diversidad de la vida en nuestro planeta. Por otro lado, ellos…
Stephan Uphoff, investigador de mutagénesis bacteriana en la Universidad de Oxford que tampoco participó en el estudio, está de acuerdo. Es un artículo emocionante, dice. Combina nuevos métodos con preguntas importantes, que son: ¿Cuáles son las dinámicas de la mutagénesis? ¿Y cuáles son los efectos de aptitud de las mutaciones?
Uno de los enfoques comunes para determinar las tasas de mutación durante el crecimiento bacteriano normal es hacer un ensayo de acumulación de mutaciones, dice Uphoff. Para hacer esto, los investigadores sembraron un cultivo bacteriano en una placa de agar, eligieron una sola colonia, volvieron a sembrar, y así sucesivamente durante unos veinte días. La secuenciación y la comparación de los genomas de la colonia original y la colonia final se pueden usar para calcular la cantidad de mutaciones por generación, explica.
El problema con eso es [que] la cantidad de muestras que puede analizar es bastante bajo, dice Uphoff. Además, hay un sesgo en términos de los efectos de aptitud de las mutaciones, dice. Nunca se ven las mutaciones altamente dañinas o letales, explica, porque esas células nunca crecerán para formar una colonia.
La microbióloga y biofísica Lydia Robert del Laboratorio Jean Perrin en París y sus colegas descubrieron una manera de eliminar ese sesgo. Teníamos la idea de que con la microfluídica podíamos conservar una célula [después de] cada división, independientemente de su estado físico, y [por lo tanto] bloquear por completo la acción de la selección natural, dice ella. Además, el sistema es un chip de alto rendimiento, el equipo podría analizar 1,000 células bacterianas individuales simultáneamente a través de imágenes de lapso de tiempo bajo un microscopio.
El dispositivo, desarrollado por primera vez por Robert y sus colegas en 2010, consiste en un gran canal, a través del cual fluye el caldo para el crecimiento de bacterias, y, perpendicular a este, una serie de microcanales sin salida, cada uno de una micra de diámetro, justo del tamaño adecuado para una bacteria, dice Robert. Nadan dentro y se atascan.
Las células atascadas al final de cada canal son las células madre. Sus divisiones se pueden observar continuamente, mientras que las células hijas son forzadas a lo largo y fuera de los microcanales, y finalmente son arrastradas por el flujo.
L. ROBERT ET AL., SCIENCE (2018)
Para contar la cantidad de mutaciones que ocurren, el equipo utilizó bacterias que expresan una proteína de reparación de errores de emparejamiento etiquetada con fluorescencia que se une a los sitios de ADN de los errores de replicación. Cada mutación inducida por la replicación apareció como una mancha amarilla brillante. A partir de estos experimentos, en los que se observaron aproximadamente 200 divisiones durante tres días, el equipo estimó que E. coli ocurren aproximadamente una vez cada 20 días. También notaron que las mutaciones tienden a ocurrir a un ritmo constante en lugar de en ráfagas.
En experimentos separados, el equipo analizó los fenotipos de crecimiento de la bacteria nuevamente en más de 200 divisiones y luego aplicó la tasa de mutación conocida para calcular el efectos sobre la forma física. Determinaron que el 1 por ciento de las mutaciones eran letales y que la mayoría de las mutaciones no letales restantes eran casi neutrales, lo que disminuía la tasa de crecimiento en un 0,3 por ciento en promedio.
El equipo también examinó cepas de MI. coli propensa a tasas más altas o diferentes tipos de mutaciones y descubrió que, si bien ocurrían más mutaciones, las cepas seguían exhibiendo una frecuencia constante con una distribución proporcionalmente igual de los efectos de la aptitud.
Básicamente, ver que las mutaciones [tienden a ser] mucho más neutrales de lo que la gente había pensado anteriormente, dice la coautora del estudio Marina Elez, también del Laboratorio Jean Perrin.
Los hallazgos de este estudio sirven como base para examinar las mutaciones bajo una variedad de condiciones, dice Uphoff, como en bacterias con diferentes antecedentes genéticos, o en presencia de antibióticos.
Además, dice Robert, es probable que la tecnología pueda adaptarse a muchos diferentes células, lo que ampliaría aún más el alcance del estudio de la dinámica mutacional.
L. Robert et al., Se siguieron las dinámicas de mutación y los efectos de aptitud en células individuales, Science, 359: 1283-86, 2018.
Corrección (19 de marzo): el texto se modificó para aclarar que la máquina madre fue desarrollada por primera vez por Lydia Robert y sus colegas en 2010. The Scientist lamenta el error .
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