Experimento Luria Delbrück
El experimento Luria-Delbrück (también prueba de fluctuación ) es un experimento ideado y llevado a cabo por Salvador Edward Luria y Max Delbrück , que fue publicado en 1943 y que formó parte del trabajo por el que Luria y Delbrück junto con Alfred Hershey ganaron el Premio Nobel en 1969 Fisiología o Medicina .
El experimento, en el que se investigó la resistencia de las bacterias a los bacteriófagos , mostró que las mutaciones aleatorias en las bacterias ocurren de manera espontánea y, por lo tanto, también en ausencia de mecanismos de selección , y refutó la hipótesis alternativa de que estas ocurren en respuesta a las condiciones cambiantes del medio. Con la ayuda de un modelo matemático desarrollado por Delbrück, las hipótesis pudieron probarse de forma cuantitativa.
Además, Luria y Delbrück pudieron determinar la tasa de mutación de la bacteria con la ayuda de algunos supuestos del modelo . Con este fin, todavía se realizan pruebas de fluctuación en la actualidad.
situación inicial
En el momento del experimento, se sabía desde hace mucho tiempo que un cultivo bacteriano que está expuesto a un bacteriófago mortal es inicialmente gravemente diezmado por él. Después de un tiempo, el cultivo aparentemente eliminado vuelve a crecer porque se ha formado una variante resistente de la bacteria que puede multiplicarse sin obstáculos. Sin embargo, el mecanismo de las mutaciones se desconocía a principios de la década de 1940, especialmente si ocurren antes de que se agregara el virus o en respuesta a él. Tampoco se sabía mucho sobre la base molecular de la herencia; aún no se había descubierto el ADN como portador de información genética.
En ese momento, Luria estaba realizando experimentos con bacteriófagos. Uno de sus problemas aquí era que la cantidad de bacterias que se habían vuelto resistentes a los fagos estaba sujeta a fluctuaciones muy grandes. Luria tuvo la idea del experimento mientras miraba a un colega en una máquina tragamonedas . La máquina generalmente se quedaba con la apuesta del jugador y, en raras ocasiones, pagaba todo el premio mayor. Luria se dio cuenta de que las fluctuaciones no deberían verse como un obstáculo a superar, sino que deberían ser objeto de análisis en sí mismas. El físico entrenado Max Delbrück, a quien Luria le comunicó su idea, luego elaboró la base teórica del experimento.
Descripción del experimento
En el experimento se produjeron un gran número de cultivos separados de la bacteria Escherichia coli . Inicialmente, de 50 a 100 bacterias no resistentes se multiplicaron en una solución nutritiva hasta que se desarrollaron colonias de alrededor de 109 bacterias. Luego, cada uno de los cultivos se expuso a una alta concentración de bacteriófago T1, que es letal para las bacterias no resistentes, en placas de nutrientes. Después de un período de espera de 24 y 48 horas, se determinó el número de colonias de bacterias (resistentes) y la distribución resultante se determinó a partir de los datos de muchas muestras .
El objetivo principal del experimento fue distinguir entre dos hipótesis alternativas relacionadas con la mutación: según la primera hipótesis, el desarrollo de resistencia en las bacterias ocurre en respuesta al ataque de los fagos. Con una probabilidad baja, las bacterias individuales pueden desarrollar una resistencia a los fagos independientemente unas de otras, que transmiten a su descendencia. En este caso, la distribución esperada de los cultivos corresponde a una distribución de Poisson . Sus fluctuaciones son relativamente pequeñas, ya que la varianza de una distribución de Poisson es igual a su media. Si esta hipótesis de "inmunidad adquirida" fuera correcta, los resultados se verían como la columna de la izquierda del diagrama.
De acuerdo con la segunda hipótesis, existe una baja probabilidad de que ocurran continuamente mutaciones generadoras de resistencia, es decir, incluso antes de que el cultivo bacteriano haya sido atacado por los fagos. En la mayoría de las culturas, estas mutaciones aparecen tarde, cuando las 50 a 100 bacterias iniciales ya se han multiplicado fuertemente. Las bacterias resistentes tienen poco tiempo para multiplicarse, y solo unas pocas bacterias resistentes están presentes en el momento del ataque del bacteriófago, lo que conduce a concentraciones medidas bajas. En algunas culturas, sin embargo, las mutaciones que crean resistencia ocurren al principio, de modo que después de un crecimiento exponencial prolongado, un gran número de bacterias sobrevive al ataque de los fagos (ver la columna de la derecha del diagrama). Como resultado, la distribución medida tiene una varianza que es muchas veces mayor que su valor medio. Hay eventos raros ("premio gordo") en los que se miden cantidades extremadamente grandes de bacterias. Un modelo matemático desarrollado por Delbrück permitió especificar una fórmula para la varianza de la distribución esperada y determinar la tasa de mutación aproximadamente.
El experimento confirmó claramente la exactitud de la segunda hipótesis. La varianza medida de la distribución fue muchas veces mayor que el valor medio y coincidió bien con las predicciones del modelo. Esto mostró la existencia de mutaciones aleatorias permanentes en bacterias.
Secuelas
A menudo se ha interpretado que la prueba de fluctuación muestra la validez de la teoría de la evolución de Darwin en bacterias y refuta las teorías de Lamarck . La propia Luria había descrito la bacteriología como el "último baluarte del lamarckismo".
Los propios Luria y Delbrück fueron inicialmente cautelosos sobre la posibilidad de generalizar sus resultados. Sus resultados se confirmaron en los años siguientes mediante nuevos experimentos, en los que, por ejemplo, en lugar de la resistencia a los bacteriófagos, se probó la resistencia a la penicilina o los rayos X.
Mientras que Luria y Delbrück solo calcularon el valor medio y la varianza de la distribución esperada de acuerdo con la teoría de mutaciones espontáneas de su modelo, Lea y Coulson lograron en 1949 derivar una expresión matemática para la distribución en sí. Se llama distribución de Luria-Delbrück y todavía se usa hoy para determinar las tasas de mutación.
A fines de la década de 1980, la generalidad de la aleatoriedad de las mutaciones fue cuestionada por el trabajo de John Cairns y sus colaboradores. A diferencia de Luria y Delbrück, Cairns investigó casos de selección no letal (es decir, las bacterias pueden sobrevivir bajo presión de selección, pero no multiplicarse) y descubrió que las mutaciones favorables a las bacterias ocurrieron con mucha más frecuencia de lo que podrían explicarse por mutaciones aleatorias. Después de un largo y controvertido debate científico sobre este fenómeno, conocido como mutación adaptativa , ahora se sabe que existen varios mecanismos mediante los cuales los organismos pueden aumentar la frecuencia de mutaciones en respuesta a la presión de selección externa, por ejemplo, formando polimerasas propensas a errores . Sin embargo, no se pudo demostrar la existencia de mutaciones dirigidas en respuesta a la presión de selección externa.
Ver también
literatura
- Luria, SE, Delbrück, M.: Mutaciones de bacterias de sensibilidad a virus a resistencia a virus. En: Genética. Volumen 28, Número 6, noviembre de 1943, págs. 491-511, PMID 17247100 , PMC 1209226 (texto completo libre).
Evidencia individual
- ↑ EP Fischer: Max Delbrück. Genética 177, 673-676 (2007)
- ^ "Último bastión del lamarckismo" G. Stent: Premio Nobel de Fisiología o Medicina de 1969 . Ciencia 24, 166 (1969)
- ↑ Luria, Delbrück, p. 509
- ↑ DE Lea, CA Coulson: La distribución del número de mutantes en poblaciones bacterianas J. Genet 49, 264-285 (1949)
- ↑ WA Rosche, PL Foster: Determinación de las tasas de mutación en poblaciones bacterianas. Métodos 20, 1 (2000)
- ↑ J. Cairns, J. Overbaugh S. Miller: El origen de los mutantes , Nature 335, 142-145 (1988)
- ↑ SM Rosenberg: Evolving responsively: adaptive mutation , Nature Reviews Genetics 2, 504-515 (2001)