Aprendizaje profundo y mecanismos de atención para identificar genes clave y sus implicaciones en el origen de las alas de los insectos

Por qué nos importan las alas de los insectos

Los insectos dominan el planeta en número y variedad, y sus alas son una de las razones principales. Las alas permiten a los insectos dispersarse, hallar alimento, huir de depredadores y configurar ecosistemas enteros. Aun así, los científicos siguen debatiendo cómo surgieron estas estructuras delicadas a partir de antepasados sin alas. Este estudio usa inteligencia artificial moderna para buscar pistas en el ADN de los insectos, revelando un programa genético compartido entre alas y branquias que aporta nueva luz sobre el origen de las alas.

Volviendo la vista a mares antiguos

Para entender las alas de los insectos, los autores parten de una idea sencilla: los insectos actuales probablemente evolucionaron a partir de animales similares a crustáceos que vivían en el agua y respiraban con branquias. Ideas competidoras sugieren que las alas podrían haberse desarrollado a partir de órganos respiratorios parecidos a branquias, placas planas en el cuerpo o lóbulos laterales del tórax, y algunas investigaciones indican una mezcla de estas fuentes. Si las alas realmente se remontan a las branquias, los genes clave deberían mostrar actividad similar en las alas de los insectos y en las branquias de especies acuáticas relacionadas. En lugar de probar solo unos pocos genes a la vez, el equipo se propuso escanear los conjuntos completos de proteínas de muchas especies para encontrar patrones ocultos relacionados con las alas.

Enseñar a una red neuronal a leer genes

Los investigadores construyeron un sistema de aprendizaje profundo que llamaron DeepWG para distinguir proteínas de especies con alas y sin alas. Reunieron proteomas de 119 especies, incluidos insectos y sus parientes cercanos, y conservaron solo datos de alta calidad. Cada secuencia proteica se fragmentó en bloques cortos de tres letras, de modo parecido a dividir oraciones en fragmentos de palabras. Esos fragmentos se convirtieron en vectores numéricos usando técnicas tomadas del procesamiento del lenguaje, y luego se introdujeron en una red de memoria bidireccional con una capa de atención añadida. Esta configuración permite al modelo recorrer las secuencias proteicas en ambas direcciones y centrarse en las regiones más informativas sin reglas hechas a mano.

Encontrar los genes de los que dependen las alas

DeepWG demostró ser muy preciso, clasificando correctamente las muestras de prueba en más del 97 por ciento de los casos y superando a redes neuronales más simples. La capa de atención asigna un peso a cada familia de genes relacionados, destacando cuáles son más importantes para distinguir especies aladas de las sin ala. De casi 28.000 familias de genes, el 5 por ciento superior en peso produjo 3.872 genes candidatos, entre ellos muchos ya conocidos por modelar las alas de los insectos. Ejemplos famosos incluyen genes que controlan el crecimiento, el patrón y el tamaño de las alas, así como vías que regulan cómo se dividen las células y responden a señales. El análisis de redes de la actividad génica agrupó muchos de estos genes en módulos estrechamente vinculados al desarrollo de las alas en la mosca de la fruta, lo que aumenta la confianza de que DeepWG está señalando actores significativos y no ruido aleatorio.

Alas y branquias cantando la misma canción

La prueba más llamativa provino de comparar cómo se comportan estos genes clave entre especies y tejidos. El equipo analizó la mosca de la fruta, una efímera con almohadillas alares y branquias acuáticas, y un crustáceo similar a un camarón con branquias pero sin alas. Examinaron la intensidad con la que los genes candidatos estaban activados en alas, almohadillas alares, branquias y otros tejidos. En las tres especies, el mismo conjunto central de genes mostró alta actividad en las alas o almohadillas alares y en las branquias, pero no en tejidos no relacionados. Este patrón repetido sugiere que las alas modernas de los insectos y las branquias de los crustáceos recurren a un conjunto genético compartido que precede a la evolución del vuelo.

Qué significa esto para la historia del vuelo

Para el público general, la idea principal es que las alas de los insectos podrían no ser una invención completamente nueva, sino una reformulación ingeniosa de las branquias ancestrales guiada por un conjunto de genes conservados. Al permitir que una red neuronal filtre grandes cantidades de datos de secuencias, el estudio descubre cientos de genes que vinculan alas y branquias a lo largo de ramas distantes del árbol familiar de los artrópodos. Aunque quedan muchas piezas del rompecabezas por encajar, el patrón de actividad genética compartida respalda con fuerza la idea de que las alas surgieron a partir de estructuras parecidas a branquias en ancestros acuáticos antiguos. DeepWG también ofrece una herramienta general para rastrear cómo evolucionaron otros rasgos importantes leyendo el lenguaje de los genomas.

Cita: Liu, F., Cao, Y., Qian, S. et al. Deep learning and attention mechanisms to identify key genes and their implications for the origin of insect wings. Sci Rep 16, 15998 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-49441-y

Palabras clave: alas de insectos, evolución de las alas, aprendizaje profundo, expresión génica, branquias de artrópodos