Opinión: Más allá del modelo
WIKIMEDIA COMMONS, PRINGLES, SUI-SETZ, ANDRE KARWATH AKA (IMAGEN DE LA PÁGINA DE INICIO: WIKIMEDIA COMMONS, GEORGE SHUKLIN)
Durante gran parte de su historia, el campo de la biología se ha centrado principalmente en la diversidad. Muchos de los primeros biólogos se centraron en la observación y caracterización detalladas de los organismos vivos, y como resultado se compiló una voluminosa biblioteca de datos descriptivos que abarcaban todos los grupos taxonómicos. Luego, los biólogos podrían usar esta información para proponer hipótesis sobre los principios subyacentes de un fenómeno observado.
Sin embargo, probar tales hipótesis requería la manipulación experimental de organismos en el campo o en el laboratorio, lo que no fue posible. hasta los avances del siglo XIX y principios del XX. La identificación de las “leyes” de la herencia a mediados del siglo XIX, por ejemplo, allanó el camino para el uso de la mutagénesis para investigar la genética subyacente de los fenómenos biológicos. Pero estos enfoques sufrían de otro conjunto de limitaciones, a saber, que requerían organismos que se reprodujeran rápidamente…
A través de muchas décadas de investigación con estos organismos, hemos aumentado significativamente nuestra comprensión de los procesos celulares y de desarrollo y han adquirido una vasta colección de recursos genéticos que incluyen secuencias genómicas de referencia. Sin embargo, para muchas de estas especies hay información limitada sobre sus interacciones ecológicas e historias de vida. La falta de este contexto puede dificultar la conexión de genes con una función en el mundo natural. Además, muchos rasgos importantes desde el punto de vista ecológico y evolutivo, como el mimetismo, el mutualismo y el parasitismo, no se exhiben en los organismos modelo. Es hora de alejarse de las ciencias y enfocarse en sus modelos de larga data. Queda mucho conocimiento por ganar aumentando la diversidad de especies bajo estudio.
Muchos investigadores que están interesados en los rasgos que afectan la forma en que un organismo interactúa con su medio ambiente se han convertido en parientes cercanos de las especies modelo. Por ejemplo, la identificación de los mecanismos genéticos responsables de los patrones de pigmentación corporal entre diferentes especies de moscas de la fruta y entre diferentes especies de ratones ciervos se vio favorecida por trabajos previos sobre los genes causantes de D. melanogaster y el ratón doméstico. De manera similar, los genes responsables de la variación en la complejidad de la hoja y la historia de vida en parientes cercanos de A. thaliana se identificaron con relativa facilidad dado el conocimiento previo de cómo funcionan los genes en la planta modelo. Otros que se han aventurado más lejos de los organismos modelo han disfrutado de éxitos similares, pero solo después de una inversión inicial de tiempo y trabajo considerables para desarrollar mapas genéticos y otras herramientas.
Como si fuera una señal, las tecnologías de secuenciación de próxima generación han surgió como un catalizador importante para una nueva revolución en la comprensión biológica. Estos métodos brindan a los investigadores la capacidad de adquirir cantidades sin precedentes de información genética en un solo experimento a una fracción del costo histórico. Creemos que estas tecnologías se pueden aplicar al estudio de diversas formas de vida con relativa facilidad y solo con una inversión limitada de tiempo y recursos financieros. Por ejemplo, la secuenciación del genoma completo de A. thaliana, un esfuerzo que originalmente tomó varios años y millones de dólares ahora se puede lograr a través de enfoques de resecuenciación, en los que secuencias cortas se alinean con un genoma de referencia existente, en unas pocas semanas por costos de miles de dólares. Esto ha permitido la caracterización extensa de diferencias de secuencia entre miembros de una sola especie y, como resultado, una explosión en curso en nuestra comprensión de la base genética de la variación entre individuos.
La promesa de estas tecnologías es no se limita a sistemas de estudio bien establecidos. Un obstáculo importante para los estudios en sistemas no modelo es la falta de una secuencia genómica de referencia, pero las tecnologías de secuenciación de alto rendimiento son muy prometedoras para resolver este problema. Los métodos de secuenciación emergentes pueden generar rápidamente nuevas secuencias de referencia de alta calidad para especies en una amplia gama taxonómica. La disponibilidad de secuencias de referencia, en combinación con la aplicación de técnicas de próxima generación para identificar cambios de secuencia naturales o inducidos responsables de diferentes fenotipos, puede permitir investigaciones sobre la base genética de rasgos interesantes en varios organismos, incluso aquellos con largos tiempos de generación o que no se puede criar en el laboratorio. La aplicación de estas técnicas a muestras de ADN recolectadas de poblaciones silvestres, por ejemplo, impulsará los estudios de asociación de todo el genoma (GWA), que prueban una correlación entre un genotipo y un fenotipo de interés y aprovechan los experimentos naturales realizados por millones de años de evolución.
Sin embargo, no todos los fenotipos están causados por cambios en la secuencia de ADN de los genes. Muchas diferencias morfológicas entre especies, entre individuos dentro de una especie e incluso entre diferentes células dentro de un individuo, se deben a cambios en la forma en que se expresan los genes. Las tecnologías de secuenciación de próxima generación también han proporcionado una forma rápida de evaluar la actividad de los genes a través de la secuenciación del ARN y, a diferencia de las tecnologías anteriores, se pueden usar para comparar los niveles de ARN dentro y entre especies simultáneamente. Otros elementos que controlan la expresión génica, como la unión de factores de transcripción reguladores o modificaciones en los nucleótidos del ADN, como la metilación, también se pueden interrogar a escala de todo el genoma utilizando estas plataformas de última generación.
Objetivos centrales de la biología. siempre han sido comprender la base de la diversidad dentro y entre las especies, y comprender cómo el medio ambiente puede influir en la expresión de diferentes rasgos. Estos enfoques genéticos emergentes permiten estudios en un número mucho mayor de organismos y potencialmente permiten aplicar enfoques genéticos en hábitats naturales. Sin embargo, el uso de organismos modelo no está muerto. La utilización de recursos generados previamente y el desarrollo continuo de sistemas modelo respaldarán y facilitarán la investigación en no modelos. Pero con la capacidad de abordar los mecanismos moleculares en el mundo natural, podemos realmente comenzar a comprender cómo interactúan todos estos factores para generar la diversidad biológica que motivó a los primeros científicos y continúa inspirándonos hoy.
Beth Rowan y Daniel Koenig son becarios posdoctorales que trabajan con Detlef Weigel en el Instituto Max Planck de Biología del Desarrollo. Rowan estudia la incompatibilidad híbrida en las plantas y Koenig estudia los factores genéticos que permiten el éxito de una nueva especie.
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