miniatura|387x387px|Las 12 poblaciones de E. coli el 25 de junio de 2008. El experimento a largo plazo de la evolución de E. coli (LTEE por sus siglas en inglés, long-term evolution experiment) es un estudio en marcha de la evolución experimental dirigido por Richard Lenski que ha ido siguiendo los cambios genéticos de 12 poblaciones inicialmente idénticas de la bacteria asexual Escherichia coli desde el 24 de febrero de 1988. Las poblaciones alcanzaron 50 000 generaciones en febrero de 2010 y de 65 000 en junio de 2016 y 75 000 generaciones en 2022 Lenski, Richard (February 15, 2023). "Revisiting the Design of the Long-Term Evolution Experiment with Escherichia coli". Journal of Molecular Evolution. 91 (1): 241–253. Bibcode:2023JMolE..91..241L. doi:10.1007/s00239-023-10095-3. PMID 36790511. S2CID 256869639

A lo largo del experimento, Lenski y sus compañeros han reportado una gran variedad de cambios fenotípicos y genotípicos en las poblaciones en evolución. Estos incluyen cambios que han ocurrido en las 12 poblaciones y otros que solo han aparecido en una o pocas poblaciones. Por ejemplo, las 12 poblaciones muestran un patrón similar de rápido mejoramiento de aptitud que desaceleró a lo largo del tiempo, mayor velocidad de crecimiento y un tamaño celular más grande. La mitad de las poblaciones han evolucionado defectos en la reparación del ADN que han ocasionado fenotipos mutadores evidentes por la elevada tasa de mutación. La adaptación más sorprendente reportada hasta ahora es la evolución de crecimiento aeróbico con citrato, el cual es raro en E. coli, en una población en algún momento entre las generaciones 31 000 y 31 500.

Enfoque experimental El experimento a largo plazo de evolución fue diseñado como una forma abierta de estudiar empíricamente las características centrales de la evolución. El experimento comenzó con tres objetivos principales: Examinar las dinámicas de la evolución incluyendo la velocidad del cambio evolutivo. Examinar la repetibilidad de la evolución. Entender mejor la relación entre los cambios a nivel fenotípico y genotípico. Como el experimento ha continuado, su alcance ha crecido a medida que nuevas preguntas de la biología evolutiva que pueden ser contestadas han surgido, que la evolución de las poblaciones ha presentado nuevos fenómenos a estudiar y que la tecnología y técnicas metodológicas han avanzado.

El uso de E. coli como el organismo experimental ha permitido que se estudien muchas generaciones y poblaciones grandes en un periodo de tiempo relativamente corto. Además, debido al gran uso de E. coli como un organismo modelo principal en biología molecular, una gran variedad de herramientas, protocolos y procedimientos eran accesibles para estudiar los cambios a nivel genotípico, fenotípico y fisiológico. La bacteria también puede ser congelada y preservada y permanecer siendo viable. Esto ha permitido la creación de lo que Lenski describe como un "registro fósil congelado" de muestras de poblaciones en evolución que pueden ser revividas en cualquier momento. Este registro fósil congelado permite que las poblaciones sean reiniciadas en caso de contaminación u otro problema durante el experimento y permite el aislamiento y comparación de ejemplares vivos de clones ancestrales y evolucionados. Lenski escogió una línea de E. coli que se reproduce solamente asexualmente, carece de plásmidos que puedan permitir la conjugación bacteriana y no tiene profago viable. Como consecuencia, la evolución del experimento ocurre únicamente por los procesos centrales de la evolución como mutaciones, derivas genéticas y selección natural. Esta asexualidad estricta también significa que los marcadores genéticos se mantienen en los linajes y clados de un antepasado común, pero no pueden extenderse de otra forma en las poblaciones.

Lenski decidió realizar el experimento con la bacteria en un medio de cultivo con glucosa limitada llamado DM25, el cual fue inicialmente desarrollado por Bernard Davis para aislar las mutantes auxótrofas de E. coli utilizando penicilina como un agente selectivo. DM25 es suplementado con una baja concentración de glucosa. Lenski escogió esta concentración para simplificar el análisis de la evolución de las poblaciones al reducir la interferencia de clones, en la cual múltiples versiones de alelos están compitiendo en una población en evolución, mientras que también reducía la posibilidad de la evolución de interacciones ecológicas. Esta concentración de glucosa puede mantener una población máxima de 500 millones de células del ancestro en un cultivo de 10 ml, aunque el máximo ahora varía dependiendo de la población. DM25 contiene una gran cantidad de citrato (cerca de 11 veces la concentración de glucosa), que fue originalmente incluida por Davis porque mejoraba la eficiencia para matar de la penicilina durante sus experimentos, aunque ahora se sabe que ayuda a E. coli a la adquisición de hierro del medio.

Métodos Las doce poblaciones son mantenidas en una incubadora a 37 °C en el laboratorio de Lenski en la Universidad Estatal de Míchigan. Cada día se transfiere el 1% de la población a un matraz con nuevo medio de crecimiento DM25. La dilución significa que cada población experimenta 6,64 generaciones, o duplicaciones, cada día. Muestras representativas grandes de cada población son congeladas en glicerol como criopreservador en intervalos de quinientas generaciones (75 días). Las bacterias en estas muestras permanecen viables y pueden ser revividas en cualquier momento. Esta colección de muestras se le conoce como "registro fósil congelado" y proporciona una historia de la evolución de cada población a través de todo el experimento. Las poblaciones también son regularmente analizadas para detectar cambios en la aptitud promedio y otros estudios son realizados para estudiar desarrollos interesantes en las poblaciones. Desde abril de 2016, las poblaciones de E. coli han sido estudiadas por más de 64 500 generaciones, y se cree que han sufrido suficientes mutaciones espontáneas que cada mutación puntual posible ha ocurrido múltiples veces en el genoma de E. coli.

Cepa inicial La cepa de E. coli que utilizó Lenski para comenzar en experimento a largo plazo de evolución proviene de la "strain [cepa] Bc251", descrita en un artículo de 1966 por Seymour Lederberg, vía Bruce Levin, quien la había utilizado en un experimento de ecología bacteriana en 1972. Las características genéticas de la cepa son: T6r, Strr, r-m-, Ara- (incapaz de crecer en arabinosa). Lenski nombró la cepa original como REL606. Antes de comenzar el experimento, Lenski aisló una variante Ara+ de la cepa en donde una mutación puntual en el operón ara había restablecido el crecimiento en arabinosa, cepa a la cual llamó REL607. Las poblaciones fueron comenzadas a partir de 6 colonias Ara- de REL606 y 6 Ara+ de REL607. Estas diferencias permiten que se diferencien grupos de cepas en Tetrazolium Arabinose plates, sobre las cuales las colonias Ara- aparecen rojas mientras que las colonias Ara+ son de blancas a rosas. A lo largo del experimento, cada población ha acumulado una gran cantidad de mutaciones diferentes que permiten identificar por más medios las cepas a través de su población de origen.

Resultados

Cambios en la aptitud miniatura|508x508px|Línea de tiempo del experimento a largo plazo de la evolución de E. coli mostrando la relación entre los años y generaciones de evolución, así como eventos y descubrimientos significativos. Muchos análisis de experimento han visto como la aptitud relativa de las poblaciones ha cambiado a comparación de la cepa original. Todas las poblaciones muestran un patrón de mejora de aptitud relativa rápida durante las primeras generaciones con un incremento desacelerado a lo largo del tiempo. Para las 20 000 generaciones, las poblaciones crecían aproximadamente un 70% más deprisa que la cepa ancestral. Este aumento y desaceleración ha continuado en generaciones subsecuentes. Un estudio de 2013 por Wiser et al. reportó que el mejoramiento continuaba después de 50 000 generaciones en comparación de las muestras aisladas a las 40 000 generaciones. Encontraron que la aptitud incrementaba seguía un modelo de ley potencial mucho mejor que los modelos hiperbólicos que habían sido utilizados previamente. Como un modelo de ley potencial describe un incremento desacelerado sin límite superior mientras que el modelo hiperbólico implica un límite, el trabajo sugirió que el incremento continuaría sin límite mientras que mutaciones benéficas cada vez más escasas se fijaran en las poblaciones. Trabajos posteriores en el 2015 reportaron los resultados de más de 1100 nuevos estudios de aptitud que analizaban los cambios de aptitud a lo largo de 60 000 generaciones. La información otra vez seguía un modelo de ley potencial, y, efectivamente caía dentro de las predicciones del modelo obtenido con información anterior. Estos resultados sugieren que, contrario al pensamiento previo, la adaptación y divergencia adaptativa pueden aumentar potencialmente indefinidamente, aun en un ambiente constante.

Evolución del genoma De las 12 poblaciones, seis han sido reportadas por tener defectos en su habilidad para reparar en ADN, aumentando considerablemente la velocidad de mutación en esas cepas. Aunque las bacterias de cada población se creen que han generado cientos de millones de mutaciones durante las primeras 20 000 generaciones, Lenski estimó que dentro de este periodo de tiempo, solamente de 10 a 20 mutaciones benéficas lograron fijarse en cada población, con menos de 100 mutaciones puntuales totales (incluyendo mutaciones neutrales) alcanzando fijarse en cada población. En 2009, Barrick et al. reportó los resultados de secuenciaciones del genoma de varios puntos en el tiempo de la población Ara-1. Encontraron que, a diferencia de la desaceleración del mejoramiento de aptitud, la acumulación de las mutaciones era lineal y periódica, aunque varias evidencias sugerían que muchas de las acumulaciones eran benéficas, en vez de neutras.

Evolución del incremento de tamaño celular en las doce poblaciones

Todas las poblaciones experimentales muestran un incremento en el tamaño celular simultáneo con una disminución de la máxima densidad de población y, en muchas poblaciones, una forma más redonda de la célula. Este cambio se debe en parte al resultado de una mutación que cambió la expresión de un gen para una proteína de unión a penicilina, la cual permitió a la bacteria mutante a superar a la bacteria ancestral bajo las condiciones del experimento a largo plazo de evolución. Sin embargo, aunque la mutación aumentó la aptitud en estas condiciones, también aumentó la sensibilidad de la bacteria al estrés osmótico y disminuyó su habilidad para sobrevivir largos periodos en fases estacionarias.

Especialización ecológica