ElDiseño

Los evolucionistas presentan con frecuencia la adquisición por parte de las bacterias de resistencia a los antibióticos como una demostración de cambio evolutivo. Sin embargo, el análisis molecular de los mecanismos genéticos que llevan a la resistencia a los antibióticos no da soporte a esta suposición tan extendida. Muchas bacterias se convierten en resistentes por la adquisición de genes procedentes de plásmidos o de transposones mediante transferencia horizontal de genes. Sin embargo, la transferencia horizontal no explica el origen de los genes de resistencia, solo su difusión entre las bacterias. Las mutaciones, por su parte, pueden explicar el surgimiento de la resistencia a los antibióticos dentro del mundo bacteriano, pero implican procesos mutacionales que son contrarios a las predicciones de la evolución. Lo que hacen estas mutaciones es reducir o eliminar la función de las proteínas de transporte o de las porinas, las afinidades de enlace de las proteínas, las actividades de los enzimas, la fuerza motriz protónica, o de los sistemas de control y regulación. En tanto que dichas mutaciones pueden considerarse como «beneficiosas» en cuanto que aumentan la tasa de supervivencia de las bacterias en presencia del antibiótico, implican procesos de mutación que no proporcionan un mecanismo genético para una «descendencia común con modificación». Asimismo, es frecuente que con estas mutaciones esté asociado algún coste de «capacidad relativa», aunque las mutaciones inversas pueden en su momento recuperar la mayor parte del coste, si no todo, en el caso de algunas bacterias. Pero se da un verdadero coste biológico con la pérdida de sistemas o funciones celulares preexistentes. Esta pérdida de actividad celular no puede presentarse de forma legítima como un medio genético de prueba de evolución.

La resistencia bacteriana al antibiótico rifampina puede resultar de una mutación común. La rifampina inhibe la transcripción bacteriana interfiriendo con la actividad normal de la ARN-polimerasa (Gale et al., 1981; Levin y Hatfull, 1993). Las bacterias pueden adquirir resistencia por una mutación puntual de la subunidad β de la ARN-polimerasa, que está codificada por el gen rpoB (Enright et al., 1998; Taniguchi et al., 1996; Wang et al., 2001; Williams et al., 1998). Esta mutación altera de forma suficiente la estructura de la subunidad β de modo que pierde especificidad para la molécula de la rifampina. Como resultado, la ARN-polimerasa deja de tener afinidad por la rifampina, y ya no queda afectada por el efecto inhibidor del antibiótico.

De hecho, el nivel de resistencia a la rifampina que puede adquirir una bacteria de forma espontánea puede ser sumamente elevado. En mi laboratorio obtenemos rutinariamente estirpes mutantes con un nivel de resistencia varias magnitudes mayor que el de la estirpe silvestre. Cuando hay rifampina presente, esta mutación proporciona una clara ventaja para la supervivencia en comparación con las células que carecen de estas mutaciones específicas. Pero cada una de estas mutaciones elimina la afinidad de la ARN-polimerasa por la rifampina. Como tales, estas mutaciones no proporcionan un mecanismo que expliquen el origen de la afinidad, sino solo su pérdida.

La resistencia espontánea a las fluoroquinolonas (como la ciprofloxacina o la norfloxacina) es también una mutación frecuente en algunas bacterias. La diana primaria del antibiótico es el enzima ADN-girasa, que está formado por dos proteínas codificadas por los genes gyrA y gyrB (Hooper y Wolfson, 1993). El análisis genético ha descubierto que la resistencia a esta clase de antibióticos puede ser resultado de una mutación puntual en cualquiera de estos genes (Barnard y Maxwell, 2001; Griggs et al., 1996; Heddle y Maxwell, 2002; Heisig et al., 1993, Willmott y Maxwell, 1993). Estas mutaciones de las subunidades de la girasa parecen ser causa de un cambio de conformación suficiente de la girasa de modo que reduce o pierde su afinidad por las fluoroquinolonas (Figura 1). Una vez más, a pesar de su naturaleza «beneficiosa», estas mutaciones no proporcionan un modelo útil que explique el origen de la afinidad de la girasa por las fluoroquinolonas.

También la resistencia a la estreptomicina puede proceder de mutaciones bacterianas espontáneas. En este caso, la estreptomicina bloquea la síntesis de proteína de la bacteria aparentemente uniéndose con el segmento del ARNr 16S del ribosoma e interfiriendo con la actividad del ribosoma (Carter et al., 2000; Leclerc et al., 1991). La resistencia al antibiótico puede surgir por mutaciones en el gen ARNr 16S, que reduce la afinidad de la estreptomicina para la molécula 16S (Springer et al., 2001). La reducción de unas actividades de transporte específicas de oligopéptidos lleva también a una resistencia espontánea frente a diversos antibióticos, incluyendo la estreptomicina (Kashiwagi et al., 1998). En estos ejemplos, la resistencia surgió como resultado de la pérdida de un componente o actividad funcionales.

La pérdida de actividad enzimática puede dar como resultado la resistencia al metronidazol. El metronidazol intracelular se tiene que activar mediante enzimas antes que pueda servir como agente antimicrobiano. Esta activación se consigue mediante el enzima nitrorreductasa NADPH (Figura 2). Si el metronidazol no es activado no ejerce un efecto inhibidor sobre la bacteria. Por ello, si no hay actividad de nitrorreductasa NADPH en la célula, el metronidazol permanece inactivo. Puede haber pérdida de la actividad de la reductasa por mutaciones terminadoras o de deleción en rdxA (Debets-Ossenkopp et al., 1999; Goodwin et al., 1998; Tankovic et al., 2000). Además, la actividad de la nitrorreductasa NADPH se puede reducir a causa de una sola mutación de aminoácido (un solo cambio de aminoácido), que reduce su capacidad para activar el metronidazol (Paul et al., 2001). Todas estas mutaciones resultan en la pérdida de la actividad enzimática necesaria para que el fármaco sea efectivo en la célula, y por ello la célula se vuelve resistente al metronidazol. Pero la pérdida de actividad enzimática no da ningún ejemplo genético de cómo «evolucionó» originalmente dicho enzima. Por ello, las mutaciones que proporcionan resistencia frente al metronidazol no pueden presentarse como verdaderos ejemplos de «evolución en una cápsula de Petri».

Una diversidad de bacterias, incluyendo la Escherichia coli, construyen una bomba de eflujo de resistencia múltiple a los antibióticos (MAR) que proporciona a la bacteria una resistencia a múltiples tipos de antibióticos, incluyendo la eritromicina, la tetraciclina, la ampicilina y el ácido nalidíxico. Esta bomba expulsa el antibiótico del citoplasma de la célula, lo que ayuda a mantener los niveles intracelulares por debajo de una concentración letal (Grkovic et al., 2002; Okusu et al., 1996) (Figura 3). La bomba para MAR está compuesta de las proteínas MarA y MarB, la síntesis de las cuales resulta inhibida por la proteína reguladora, MarR (Alekshun y Levy, 1999; Poole, 2000) (Figura 3). Las mutaciones que reducen o eliminan el control de la represión de MarR resultan en una sobreproducción de la bomba de eflujo MarAB, lo que posibilita a la célula expulsar mayores concentraciones de antibióticos o de otros agentes bactericidas (Oethinger et al., 1998; Poole, 2000; Zarantonelli et al., 1999).

La proteína MarA actúa también como un regulador positivo estimulando una mayor producción de las proteínas MarA y MarB (Alekshun y Levy, 1999) [Figura 3]. Además, la proteína MarA inhibe indirectamente la producción de la porina, OmpF, un canal en la membrana que permite la entrada de algunos antibióticos en la célula (Cohen et al., 1988). Por ello, la expresión aumentada de MarA aumenta la expulsión de antibióticos de la célula, y reduce el transporte de algunos antibióticos al interior de la célula (Figura 3). Las mutaciones de marR que reducen la expresión o la actividad de la proteína MarR posibilitarán así una expresión excesiva de la bomba de eflujo MarAB (Linde et al., 2000; Okusu et al., 1996), y proporcionarán una mayor resistencia de la bacteria a diversos antibióticos (Eaves et al., 2004; Hans-Jorg et al., 2000; Notka et al., 2002) [Figura 3]. Los mutantes defectuosos de MarR presentan también una mayor tolerancia bacteriana a algunos agentes químicos orgánicos, como el ciclohexano (Aono et al., 1998).

Las mutaciones que aumentan la producción de esta bomba de eflujo hacen posible que estas bacterias sobrevivan la exposición a diversos antibióticos. Como tal, esta es una mutación beneficiosa cuando el antibiótico está presente en el medio. Sin embargo, una mutación que es causa de una pérdida de control de regulación (en este caso de la proteína represora, MarR) no ofrece un mecanismo genético que pueda dar cuenta del origen de este control regulador.

En otros ejemplos, la resistencia a la eritromicina puede también originarse debido a la pérdida de un segmento de once pares de bases del gen ARNr 23S (Douthwaite et al., 1985), o por una mutación que altera la conformación del ARNr 23S—lo que reduce la afinidad del ribosoma hacia el antibiótico (Gregory y Dahlberg, 1999; Vannuffel et al., 1992). La resistencia al cloranfenicol se obtuvo por deleción de una región de 12 pares de bases en el dominio II del gen de la peptidiltransferasa (Douthwaite, 1992). La resistencia a las cefalosporinas se ha vinculado con una gran alteración de la cinética del transporte en membranas que es semejante a las estirpes deficientes en porinas (Chevalier et al., 1999). La resistencia a la actinonina en el Staphylococcus aureus resulta de mutaciones que eliminan la expresión del gen fmt (Margolis et al., 2000). La resistencia a la zwittermicina A en la E. coli está asociada con la pérdida de fuerza motriz protónica (Stabb y Handelsoman, 1998). En el caso del Streptococcus gordonii, la tolerancia a la penicilina puede involucrar la pérdida del control regulador del operón arc (Caldelari et al., 2000). Y la E. coli puede sobrevivir a la presencia de las β-lactamas, como la ampicilina, deteniendo la división celular, lo que hace a la célula menos sensible al efecto letal del antibiótico (Miller et al., 2004).

Estas mutaciones resistentes que se describen aquí llevan a la pérdida de un sistema biológico preexistente, incluyendo la división celular y la fuerza motriz protónica. Aunque la supervivencia frente al antibiótico sea un fenotipo «beneficioso», estas mutaciones no pueden ser un ejemplo genético de cómo se originó cada uno de estos sistemas. Como tales, no proporcionan ningún medio genético para cumplir las predicciones de «descendencia con modificación».

La resistencia a otros antibióticos, como la kanamicina, puede resultar de la pérdida o reducción de síntesis de una proteína transportadora (OppA) [Kashiwagi et al., 1998]. La resistencia a la ciprofloxacina y a la imipenema puede resultar, al menos en parte, de una disminución en la formación de la porina de la membrana exterior, OmpF (Armand-Lefèvre et al., 2003; Hooper et al., 1987; Yigit et al., 2002). Un aumento en la resistencia al meropenem y a la cefepima va también asociado a la pérdida de OmpF y de otra porina, OmpC (Yigit et al., 2002). Y el Enterobacter aerogenes puede llegar a hacerse resistente a diversos antibióticos cuando una mutación reduce en gran proporción la conductancia de una porina de membrana (Dé et al., 2001).

Cada una de las resistencias que se describen en el párrafo anterior resulta de la reducción o de la pérdida de un sistema de transporte. Sin embargo, los mecanismos genéticos necesarios para la evolución tendrían que dar cuenta del origen de estos diversos sistemas de transporte. Así, estas mutaciones originadoras de la resistencia a los antibióticos no proporcionan los cambios genéticos precisos para la «descendencia común». Al contrario, son genéticamente incongruentes con las necesidades de la evolución, siendo que cada una de ellas involucra la pérdida de una actividad de transporte preexistente.

Como grupo, las mutaciones asociadas con la resistencia a los antibióticos involucran la pérdida o reducción de una función o actividad celular preexistente, esto es, la molécula diana ha perdido una afinidad hacia el antibiótico, el sistema de transporte de antibióticos ha quedado reducido o eliminado, ha habido reducción o eliminación de un sistema regulador o de una actividad enzimática, etc. (Tabla I). Estas no son mutaciones que puedan dar cuenta del origen de dichos sistemas y actividades celulares. Aunque estas mutaciones pueden ciertamente considerarse como «beneficiosas» para la supervivencia de la bacteria cuando está presente un antibiótico en el medio ambiente, este beneficio tiene lugar a expensas de una función previamente existente. Esto es análogo a eliminar una pared interior de una casa para conseguir un comedor más grande. Aunque este comedor mayor pueda ser deseable (esto es, beneficioso), el mecanismo de derribo de esta pared no puede ofrecerse de manera legítima como un ejemplo de cómo se construyó originalmente esta pared interior. Igualmente, el beneficio de la supervivencia de una mutación es solo una parte de los rasgos genéticos necesarios para que las mutaciones puedan dar la «evolución en una cápsula de Petri». Estas mutaciones también pueden proporcionar la base genética para una «descendencia común con modificación». Aunque esto contradice de forma directa las pretensiones hechas por muchos proponentes de la evolución, los datos moleculares acerca de la resistencia a los antibióticos son muy claros.

Estas mutaciones tampoco pueden proporcionar un mecanismo que siga «evolucionando» el nivel de especificidad o de actividad de las proteínas que se necesitan para la normal función celular. Aunque estas mutaciones constituyen unos excelentes ejemplos de adaptación bacteriana, son en realidad lo directamente contrario de los cambios por mutación necesarios para la evolución. Sin embargo, estos son precisamente los ejemplos que los evolucionistas presentan como demostraciones verificables del «cambio evolutivo». Cosa irónica, estas mutaciones son en realidad ejemplos verificables de un modelo creacionista—una complejidad inicial que pasa por mutación a un nivel de mayor simplicidad.

La adquisición espontánea de resistencia a los antibióticos es designada con frecuencia como una «ganancia» de resistencia, pero es más apropiado identificarlo como una pérdida de sensibilidad. Así, la resistencia a los antibióticos es resultado de la pérdida de sistemas previamente existentes en la célula bacteriana. Está claro que estos cambios no proporcionan ningún mecanismo genético para el origen de características scelulares como la especificidad enzimática, la actividad de transporte, la actividad reguladora, o la afinidad de las proteínas. Sin embargo, los evolucionistas afirman insistentemente que las mutaciones proporcionan un mecanismo genético para el origen de la actividad biológica y de una «descendencia común con modificación», y presentan repetidamente los tipos de mutación que se acaban de describir como ejemplos de evolución en acción.

Aunque las mutaciones que proporcionan resistencia a un antibiótico se pueden considerar «beneficiosas», a menudo comportan un coste fisiológico (Andersson y Levin, 1999; Maisnier-Patin et al., 2002). De hecho, Björkman et al. (2000) llegan a la conclusión de que la mayoría de los tipos de resistencia a los antibióticos impartirán algún coste biológico al organismo. Por ejemplo, la resistencia a la rifampina del Mycobacterium tuberculosis (Billington et al., 1999), de la E. coli (Reynolds, 2000), y del Staphylococcus aureus (Wichelhaus et al., 2002) se debían a mutaciones de la ARN-polimerasa que también redujeron la capacidad relativa de la mayoría de las estirpes mutantes. Aunque el coste biológico comunicado por estos investigadores no era por lo general muy grave, era discernible.

Las mutaciones resultantes en una resistencia a la claritromicina en el Helicobacter pylori reducen la capacidad relativa del organismo (Björkholm et al., 2001). La resistencia a elevados niveles de fluoroquinolona por parte de laSalmonella enterica involucra mutaciones que imparten un elevado coste biológico al organismo (Giraud et al., 2003). Y las mutaciones de fusA que proporcionan resistencia al ácido fusídico al Staphylococcus sp. imponen una significativa pérdida de «capacidad relativa» (Gustafsson et al., 2003; MacVanin et al., 2000). La resistencia a la actinonina por parte del S. aureus va también acompañada de una grave pérdida de «capacidad» que da como resultado una disminución considerable en el crecimiento (Margolis et al., 2000). La resistencia de la E. coli a la estreptomicina puede reducir enormemente la velocidad de biosíntesis de las proteínas (Zengel et al., 1977). Y algunas bacterias suspenden la división celular para minimizar su sensibilidad a la ampicilina (Miller et al., 2004), lo que evidentemente reduce la capacidad global del organismo.

Este coste de la «capacidad relativa» parece variar considerablemente, dependiendo tanto del organismo como del antibiótico. Pero muchos de los mutantes resistentes que han sido objeto de estudio, incluyendo algunos de los que se han mencionado anteriormente, pueden posteriormente eliminar algo o mucho del coste sobre la capacidad biológica mediante retromutaciones o mutaciones supresoras, que también estabilizan la mutación (Andersson y Levin, 1999; Lenski, 1998; Massey et al., 2001). El grado en que una retromutación restaura la capacidad biológica depende probablemente del emplazamiento de la mutación y de si una sola mutación puede restaurar algo o todo de la «capacidad» del tipo silvestre.

Es evidente que la capacidad de algunas estirpes mutantes queda reducida de forma permanente (algunas veces de forma grave), y los evolucionistas, por lo general, han pasado por alto estos efectos en su precipitación por promover la resistencia a los antibióticos como «evolución en la cápsula de Petri». De hecho, a menudo someten a ensayo la capacidad relativa de estos mutantes bajo unos parámetros de cultivo muy rigurosos, que minimizan la pérdida detectable de capacidad para una mutación determinada. Por otra parte, la pérdida de capacidad de algunos mutantes es despreciable (especialmente después de retromutaciones). De modo que el efecto de la resistencia espontánea sobre la capacidad biológica bacteriana parece variar de mutante en mutante. Sin embargo, las mutaciones resistentes imponen desde luego un coste biológico por la pérdida de sistemas y actividades celulares preexistentes. Este coste biológico no queda compensado por las retromutaciones o por las mutaciones supresoras. Aunque dichas mutaciones no siempre presenten niveles detectables de reducción de «capacidad», se levantan como la antítesis de la «descendencia común con modificación».

Con frecuencia se afirma que la resistencia a los antibióticos y a otros microbicidas es una clara demostración de «evolución en una cápsula de Petri». Sin embargo, el análisis de los acontecimientos genéticos que causan esta resistencia revela que no son congruentes con los acontecimientos genéticos necesarios para la evolución (definida como «descendencia común con modificación»). En lugar de esto, la resistencia que resulta de la transferencia horizontal de genes proporciona meramente un mecanismo para la transferencia de genes de resistencia previamente existentes. La transferencia horizontal no proporciona un mecanismo para el origen de estos genes. La mutación espontánea sí que ofrece un potencial mecanismo genético para el origen de estos genes, pero este origen nunca se ha podido demostrar. Al contrario, todos los ejemplos conocidos de adquisición de resistencia a los antibióticos debida a mutación son incongruentes con los requisitos genéticos para la evolución. Estas mutaciones dan como resultado la pérdida de sistemas o actividades celulares preexistentes, como porinas y otros sistemas de transporte, sistemas de regulación, actividades enzimáticas y uniones de proteínas. La resistencia a los antibióticos puede también ocasionar alguna disminución de la «capacidad relativa» (grave en algunos casos), aunque en el caso de muchos mutantes esto quede compensado por una reversión. Sin embargo, el verdadero coste biológico es la pérdida de sistemas y actividades preexistentes. Estas pérdidas nunca quedan compensadas, a no ser que se pierda la resistencia, y no se pueden presentar de forma legítima como ejemplos de un cambio evolutivo verdadero.