Resumen de Models in molecular evolution: the case of toyLIFE
Pablo Catalán Fernández
Esta tesis pretende contribuir al cuerpo de resultados relativos a los modelos del mapa genotipo-fenotipo. En el proceso, hemos propuesto y estudiado un nuevo modelo computacional, toyLIFE, y una nueva metáfora de evolución molecular: los “multipaisajes” adaptativos. También hemos estudiado la promiscuidad funcional y la dinámica evolutiva en ambientes alternantes.
El primer resultado de la tesis es la definición de toyLIFE, un modelo simplificado de la biología celular, que incorpora versiones “de juguete” de genes, proteínas y regulación, así como de redes metabólicas. Las moléculas de toyLIFE interactúan entre sí siguiendo las leyes del modelo HP de plegamiento de proteínas, que dota a toyLIFE de una química simplificada. A partir de estas leyes, observamos comportamientos similares a los observados en células reales, como la emergencia de redes regulatorias complejas o un metabolismo que crece en complejidad a medida que el genoma crece.
toyLIFE es, hasta donde nosotros sabemos, el primer modelo multi-nivel del mapa genotipo-fenotipo, en comparación con otros modelos estudiados en la literatura, como el RNA, las proteínas, las redes de regulación o el metabolismo. Todos estos modelos o bien omiten el contexto celular a la hora de asignar el fenotipo y la función (en el caso del RNA y las proteinas), o bien ignoran la dinámica genómica, definiendo los genotipos a partir de abstracciones de alto nivel (en el caso de las redes de regulación y metabólicas). toyLIFE comparte las mismas características documentadas en todos estos mapas genotipo-fenotipo. Existe una fuerte degeneración en el mapa, con muchos genotipos expresando el mismo fenotipo. La degeneración se traduce en la existencia de redes neutras, que se expanden por el espacio de genotipos en cuanto el genotipo tiene más de dos genes. También existe una fuerte asimetría en la distribución de tamaños de fenotipos: la mayoría de ellos son raros, mientras que unos pocos aglutinan a la gran mayoría de los genotipos. Por último, los fenotipos comunes son mutuamente accesibles entre sí.
También estudiamos la ubicuidad de la promiscuidad funcional (la abilidad de llevar a cabo más de una función) en mapas genotipo-fenotipo. En particular, estudiamos RNA, redes regulatorias booleanas y toyLIFE. Nuestros resultados sugieren que la promiscuidad es la norma en vez de la excepción, incitando a replantearnos nuestra comprensión de la biología como una maquinaria de relojería. Uno de los resultados más interesantes de esta tesis proceden del estudio de la dinámica evolutiva en ambientes alternantes cuando las poblaciones muestran promiscuidad funcional: nuestros resultados prueban que existe una frecuencia óptima de cambio de ambiente que minimiza el tiempo de extinción de la población.
Finalmente, presentamos una nueva metáfora para entender la evolución molecular: los “multipaisajes” adaptativos. Este marco pretende actualizar la metáfora del paisaje de fitness introducida por Sewall Wright en los años 30. Los “multipaisajes” adaptativos incluyen muchas lecciones aprendidas del estudio de los mapas genotipo-fenotipo, y que discutimos a lo largo de la tesis. En particular, la existencia de redes neutras, la asimetría de tamaños de fenotipos (y su consecuente efecto en la accesibilidad fenotípica) y la ubicuidad de la promiscuidad funcional alteran la imagen del paisaje de fitness original.
