Adaptação em ritmo acelerado

Mutações vantajosas –aquelas que aumentam as chances de sobrevivência e reprodução de seu portador—surgem muito rapidamente em populações de moscas expostas a inseticidas. O que explica a velocidade desse processo? Por que a adaptação pode ocorrer tão rapidamente?

Nas útimas décadas inseticidas vêm sendo usados cada vez mais na agricultura, entre eles os organofosforados. Largamente usados em todo o mundo, eles foram desenvolvidos para atacar espécies que causam prejuízos, mas também são tóxicos para aquelas que não atacam plantações, como é o caso da mosca das frutas Drosophila melanogaster. O uso de inseticidas resulta num fascinante experimento de seleção natural, em que moscas que carregam mutações que conferem resistência ao inseticida tornam-se cada vez mais comuns. Tratamos da evolução de resistência a pesticidas num post anterior, em que a diversidade de mecanismos de resistência é discutida.

 Um grupo de pesquisadores da Universidade de Stanford, nos Estados Unidos, investigou a fundo a resistência a inseticidas em Drosophila melanogaster. O trabalho resultante foi publicado no periódico Plos Genetics. Eles analisaram um gene chamado Ace, que codifica uma enzima chamada Acetilcolinestarese. Quando mutado, o Ace pode conferir resistência a inseticidas. O surgimento de mutantes resistentes a pesticidas não é uma novidade para evolucionistas, havendo estudos desde a década de 1950 mostrando o surgimento de ratos resistentes a varfarina, por exemplo, quando esse composto era usado no combate aos roedores.

O trabalho do grupo de Stanford, assinado por Talia Karasov, Dmitri Petrov e Philipp Messer, encontrou algo surpreendente: no gene Ace, as mesmas mutações de resistência aos inseticidas estavam presentes em moscas que habitam diferentes continentes: Europa, Australia, América do Norte. Uma análise cuidadosa das sequências de DNA no entorno do gene Ace mostrou que cada continente tinha a mutação de resistência associada a uma vizinhança de DNA específica. Isso significa que em cada continente as mutações que conferem resistência haviam surgido de modo independente.

Para a equipe de Stanford, esse resultado era surpreendente, pois o processo de surgimento de resistência ao inseticida parecia ser “fácil demais”. O uso de inseticidas foi iniciado há apenas 50 anos, de modo que não houve tanto tempo para a seleção natural atuar. Além disso, na ausência de inseticidas, as mutações que conferem resistência são prejudiciais, e seriam raras na população. Então as mesmas mutações teriam surgido em diferentes continentes, num curto espaço de tempo, após a aplicação do inseticida. 

Talia Karasov e seus colaboradores raciocinaram que o rápido e recorrente surgimento das mutações de resistência poderia ser explicado por dois fatores. O primeiro seria uma taxa de mutação –isto é, a velocidade com que ocorrem mudanças na sequência de DNA–  muito elevada no gene da Ace, facilitando o surgimento da resistência. Eles testaram essa hipótese, e a refutaram: o gene Ace não tem uma taxa de mutação maior do que a média dos outros genes de Drosophila melanogaster. 

A seguir, consideraram um segundo fator que pode contribuir para o rápido surgimento de mutações de resistência: o número de indivíduos de uma espécie. Pode até ser que cada indivíduo tenha uma chance minúscula de sofrer a mutação vantajosa, mas se há milhões (ou até mesmo bilhões) de indivíduos numa espécie, a chance de pelo menos um deles ter a mutação vantajosa torna-se alta. Basta que uma mutação vantajosa surja para que ela tenha uma chance de aos poucos tornar-se comum na população. Em outras palavras: em populações maiores, há mais indivíduos sofrendo mutações, então há uma maior chance de surgirem mutações vantajosas. Consequentemente, o processo de adaptação deve ser mais veloz em populações grandes.

Como isso se aplica à Drosophila melanogaster? Evolucionistas sabem que o número de indivíduos de uma espécie muda ao longo do tempo, havendo períodos em que o tamanho populacional é maior e outros em que é menor. Essas fases com tamanhos populacionais menores são às vezes chamadas de “gargalos populacionais”, e podem ser consequência de eventos climáticos que afetam a disponibilidade de alimentos, por exemplo. Frente a essas oscilações, uma prática comum é estimar o tamanho “médio” de uma população ao longo do tempo (também chamado de seu “tamanho efetivo”). Essa média não é estimada contando o número de indivíduos em diferentes momentos (uma informação da qual não dispomos), mas usando o fato de que a diversidade genética de uma espécie é proporcional ao seu tamanho médio ao longo do tempo, de modo que espécies com tamanhos populacionais maiores possuem maior variabilidade genética (um tema tratado em post anterior).

Usando essa lógica, Talia e seus colegas chegaram à estimativa de que o tamanho populacional médio de Drosophila melanogoster seria de 1 milhão de indivíduos. Esse achado revelou um problema: as mutações vantajosas haviam surgido em 50 anos em vários continentes, mas nem a taxa de mutação no gene de resistência era particularmente alta, nem o tamanho da espécie era suficientemente elevado para explicar esse processo. O tamanho de 1 milhão de indivíduos pode parecer elevado, mas os autores argumentam que implicaria um lento surgimento de mutações de resistência. Não seria possível explicar o surgimento de mutações de resistência em poucos anos em tantos continentes diferentes assumindo que a população era de 1 milhão de indivíduos.

Qual é o tamanho populacional de Drosophila melangoster necessário para explicar o recorrente surgimento de mutações vantajosas, em tão pouco tempo? Usando as equações que descrevem como atua o processo de seleção natural, o estudo concluiu que seriam necessárias populações de Drosophila de entre 100 milhões e 1 bilhão de indivíduos. Populações desse tamanho seriam tão grandes que mutações de resistência estariam surgindo em um ou outro indivíduo de modo frequente.

A estimativa para o tamanho populacional “medio” de Drosophila, como apresentamos anteriormente, é de cerca de 1 milhão de indivíduos. Esse valor é muito inferior aos 100 milhões necessários para explicar o rápido surgimento das adaptações. Mas esse valor de 100 milhões é justamente isso: uma média. Há períodos em que o tamanho é maior e outros em que é menor. Talia e seus colegas argumentam que a média pode ser enganosa, pois ela esconde a importante informação de que, em certos períodos, a população teve números imensos de indivíduos (por exemplo, cerca de 1 bilhão). E é justamente nesses períodos em que as chances de surgimento de uma mutação vantajosa torna-se maior.

Nos  períodos de grande tamanho populacional haveria um grande potencial da espécie se adaptar a desafios do seu ambiente, pois haveria um farto suprimento de mutações sendo gerado, consequência do elevado número de indivíduos presentes, cada um contribuindo com sua parcela de mutações.

Esse achado tem importantes implicações sobre como vemos o processo evolutivo. Em primeiro lugar, ele mostra que o processo de adaptação –entendido como a ocorrência de mudanças evolutivas causadas pela seleção natural—pode ocorrer de modo muito rápido. Isso resulta do fato de que as espécies na natureza podem ter tamanhos populacionais muito elevados, de modo que mutações vantajosas têm uma chance elevada de ocorrer. Diferente do que acreditava Darwin, que via a mudança evolutiva por seleção como sendo um processo lento e gradual, é possível que adaptações moleculares –como a resistência a inseticidas—ocorram de modo muito veloz.

Esse achado tem também implicações práticas. Bactérias ou vírus possuem tamanhos populacionais imensos, muitas vezes na ordem de bilhões. Para essas espécies há tantos indivíduos na população que, para qualquer posição no genoma, haverá pelo menos um indivíduo na população carregando uma mutação. Assim, o “estoque” de mutações sobre as quais a seleção natural pode atuar é vasto. Isso explica por que a resistência a antibióticos e antivirais surge de modo relativamente fácil, tornando necessário o uso de combinações de antivirais ou antibióticos. Afinal, se a chance de haver uma mutação de resistência é alta, o uso de um coquetel com várias drogas torna-se valioso, pois a chance de que múltiplas mutações de resistência estarão presentes num mesmo indivíduo é menor.

O estudo de Talia Karasov e colaboradores ilustra como, graças a grandes tamanhos populacionais, a evolução por seleção natural pode ser rápida. Isso é fascinante, mostrando o imenso potencial de espécies com grandes tamanhos populacionais sofrerem mudanças à medida que enfrentam desafios de seu ambiente. Isso também é preocupante, pois a adaptação pode envolver patógenos que se tornam resistentes aos remédios que usamos para combatê-los. Isso será tema de um próximo post.

Diogo Meyer

(Universidade de São Paulo)

Para saber mais

O artigo descrevendo os achados em Drosophila melanogasterKarasov, T., et al. (2011). Evidence that Adaptation in Drosophila Is Not Limited by Mutation at Single Sites. Plos Genetics, 6:1-10.

Um artigo comentando o achado: Barton, N. Understanding adaptation in large populations. Plos Genetics, 6.

Um comentário no blog dos autores: http://petrovlabblog.blogspot.com/2010/07/tuesday-july-13-2010-every-mutation-at.html

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