Menos es más: la pérdida de genes impulsa la evolución adaptativa de una bacteria pandémica

Un estudio publicado en Nature Ecology & Evolution ha revelado una sorprendente idea evolutiva: a veces, perder genes en lugar de ganarlos puede ayudar a un patógeno bacteriano a sobrevivir y expandirse.

El trabajo lo ha llevado a cabo un equipo de científicos coordinado por Jaime Martínez Urtaza, del Departamento de Genética y Microbiología de la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB); Yang Chao y Falush Daniel, del Instituto de Inmunidad e Infección de Shanghái de la Academia China de Ciencias, y Wang Hui, de la Universidad Jiao Tong, de Shanghái.

Al pensar en la evolución, a menudo nos imaginamos organismos que cambian o adquieren nuevos genes para adaptarse, como, por ejemplo, que les crezcan alas, desarrollen resistencia o adopten nuevos comportamientos. En el árbol de la vida, tanto las mutaciones espontáneas como la adquisición de genes son herramientas clásicas de adaptación, pero en este trabajo los científicos han abordado otra vía evolutiva menos conocida y poco explorada hasta ahora: la pérdida de genes.

La investigación se ha centrado en la bacteria Vibrio parahaemolyticus, una de las mayores responsables de infecciones a nivel global, principalmente asociadas al consumo de marisco, pero también por la exposición de heridas abiertas al agua de mar. En particular, se ha estudiado un clon pandémico de la bacteria, compuesto por diversos subtipos o cepas. Este clon en expansión está presente principalmente en Asia (se detectó por primera vez el año 1996 en Japón) y se han reportado brotes significativos posteriormente en la costa oeste de EE. UU. y en algunos países latinoamericanos como Chile, Perú o México. En España se detectó por primera vez en 2004 en Galicia, donde causó un brote de gastroenteritis que afectó a ochenta personas.

Al estudiar su evolución, los investigadores observaron que diferentes subtipos de la bacteria parecían sustituirse unos a otros con el tiempo en su recorrido expansivo a través de diferentes oleadas (waves). Finalmente, una cepa dominante, denominada wave-4, fue la que se impuso y causó la mayoría de las infecciones humanas. La dinámica observada era similar a la forma en que las variantes del virus SARS-CoV-2 (alfa, delta, ómicron…) se sustituyeron unas a otras durante la pandemia de COVID-19. El análisis de la huella genética de wave-4 para entender qué mecanismos le habían conferido su ventaja competitiva reveló la pérdida de genes, y no un nuevo gen o una mutación, como el motor adaptativo clave para convertirse en dominante.

El grupo de genes que perdió wave-4 están implicados en la utilización de la putrescina, una pequeña molécula presente en el medio ambiente y en el intestino humano. Sin estos genes, la bacteria obtuvo ventajas en dos aspectos clave. El primero, la supervivencia ambiental, ya que podía formar biopelículas más resistentes, que protegen a las bacterias del estrés y facilitan su adhesión a las superficies, lo que le permitiría sobrevivir durante los largos viajes conectando zonas distantes del planeta. El segundo, la transmisión humana, porque se adhería más fácilmente a las células humanas y colonizaba el intestino más eficazmente.

La pérdida genética, por contra, provoca infecciones menos graves de la bacteria. Esto respalda una idea evolutiva conocida como hipótesis de la compensación de la virulencia. Los patógenos demasiado dañinos (con una alta virulencia) pueden matar a su huésped demasiado rápido, lo que dificulta su propagación. En cambio, los que logran un equilibrio entre daño y propagación, como la gripe estacional, pueden tener más éxito con el tiempo. Este equilibrio explicaría por qué wave-4 se hizo tan dominante.

En el estudio, los científicos descubrieron también pérdidas de genes similares en otras especies bacterianas, como Vibrio cholerae y Escherichia coli, que también dieron lugar a biopelículas más fuertes y a una mayor adhesión celular. Este resultado apunta a un fenómeno de evolución convergente, que se produce cuando distintos organismos evolucionan independientemente con rasgos similares porque se enfrentan a retos parecidos. La pérdida de genes, sugieren los científicos, puede ser un mecanismo de adaptación común, potente y poco apreciado en las bacterias.

"Durante mucho tiempo, la pérdida de genes se consideró una especie de decadencia biológica", afirma Yang Chao. "Pero nuestro estudio demuestra que puede ser justo lo contrario: un movimiento evolutivo inteligente. En nuestra especie modelo, no fue la mutación o la ganancia de genes lo que hizo que el patógeno tuviera más éxito, sino la pérdida de los genes adecuados en el momento oportuno".

El resultado del estudio publicado ahora arroja luz a un enigma que ha permanecido irresoluble en los últimos 30 años sobre la expansión global conseguida por V. parahaemolyticus. Y ha sido posible gracias al volumen de datos disponibles en la actualidad: los científicos han trabajado a partir de un conjunto de datos genómicos mundiales a gran escala, con 8.600 genomas, que incluye representantes de seis continentes y 34 países.

La investigación proporciona "la visión genómica más completa sobre el origen y la evolución del clon pandémico de V. parahaemolyticus y permite inferir la historia de su transmisión geográfica", señala Jaime Martínez Urtaza. "Un próximo trabajo nos dará nuevas pistas importantes sobre cómo este tipo de patógenos logran viajar entre continentes a través de los océanos", apunta el catedrático de genética de la UAB.