Come Escherichia coli permette di studiare la “macchina della vita”

La vita mi affascina: per questo devo “spezzarla”

La frase del titolo è quella con cui esordisce Betül Kaçar, assistente professore presso il Dipartimento di biologia molecolare e cellulare dell’Università dell’Arizona, nel presentare la sua ricerca. L’astrobiologa e il suo team hanno utilizzato i meccanismi cellulari dei microbi moderni per “resuscitare” delle sequenze ancestrali. Un pò come in Jurassic Park, ma con dei geni estinti al posto dei dinosauri. Il gruppo ha inserito queste sequenze all’interno di batteri, analizzando come gli organismi fanno fronte ad esse e come le mutazioni portano l’evoluzione della vita.

L’evoluzione della vita studiata nell’Escherichia coli

In un articolo pubblicato sulla rivista Proceedings of the National Academy of Sciences, Kaçar e colleghi hanno rivelato una scoperta inaspettata: l’evoluzione non è poi così “multitasking“. La ricerca mirava ad inserire sequenze ancestrali in microorganismi per comprendere come queste abbiano dato forma alla vita e ai canoni della selezione naturale. Kaçar è specializzata nel design di molecole che agiscono da “chiavi inglesi” nei meccanismi cellulari. Nel suo laboratorio hanno posto particolare attenzione alla traslazione, che permette la sintesi di proteine dalla codificazione del DNA. In 3,5 miliardi di anni di vita sulla Terra le molecole coinvolte nella sintesi proteica hanno subito infatti poche variazioni, perlomeno nel fulcro del meccanismo.

Spezzare il meccanismo

Kaçar e colleghi hanno utilizzato sei ceppi di Escherichia coli modificati geneticamente per poter esprimere componenti mutate del meccanismo di traslazione, scambiando le proteine shuttle di E.coli con quelle di microorganismi parenti ed anche di un antenato ricreato in laboratorio, un microorganismo vissuto 700 milioni di anni fa. Il secondo step della ricerca è stato quello di incubare i vari ceppi mutanti nello stesso medium e portare avanti una coltura collettiva, nella quale sarebbe iniziata la competizione tra batteri, una vera e proprio selezione naturale accelerata in stile Hunger Games.

Il risultato inaspettato

Migliaia di generazioni di batteri dopo l’inizio degli “Hunger Games”, Kaçar e colleghi hanno analizzato la popolazione di E.coli, trovando alcuni ceppi dominanti ed altri in minoranza se non spariti del tutto. Ma la cosa interessante è avvenuta riguardo l’adattamento dei batteri alle molecole coinvolte nella traslazione mutate. Infatti nei nuovi batteri l’evoluzione ha agito concentrandosi sulla riparazione o “ricalibratura” di altri moduli cellulari prima che quelli della sintesi proteica.

Kaçar ha chiesto consulto quindi al dottor Sandeep Venkataram, un esperto di genetica della popolazione presso l’Università di San Diego. Il suo commento ai risultati della ricerca è stato: “L’evoluzione è un processo non multitasking, al contrario si può dire che è “miope“. L’evoluzione è un pò come il gioco acchiappa la talpa: le mutazioni emergono casualmente e la cellula dovrebbe cercare di schiacciarle tutte come un martello. Invece essa segue un bias molto rigido, inibendo solo determinate mutazioni che coinvolgono determinati meccanismi, o moduli, cellulari e tralasciandone altri. Anche nel caso di mutazioni che migliorano le prestazioni dell’organismo, l’evoluzione tende a non badare a modifiche favorevoli ai processi di ampia scala, e tuttavia reprime quelle che coinvolgono processi di piccola scala, anche quando queste ultime sono benevole.”

La ricerca continua

Questo comportamento viene definito stallo evolutivo: mentre l’evoluzione in una specie si focalizza nel migliorare o riparare un aspetto della cellula, tralascia vari altri piccoli problemi che andrebbero riparati. Questo principio dell’evoluzione, secondo Kaçar, avrà delle controparti in tutti i livelli di gerarchia biologicha, anche, andando a ritroso, tra i principi delle molecole dell’era prebiotica, quando la vita doveva ancora materializzarsi. Per questo il suo team, anche grazie a fondi della NASA, vuole risalire dalle sequenze ancestrali fino all’agglomerato comunemente conosciuto come “brodo primordiale” e capire sotto quali condizioni questo insieme di molecole sono passate dalla pre-vita ad una struttura comune che è possibile chiamare vivente.

Figura 1 - Raffigurazione del brodo primordiale
Figura 1 – Raffigurazione del brodo primordiale. Fonte

Bibliografia

  1. Sandeep Venkataram, Ross Monasky, Shohreh H. Sikaroodi, Sergey Kryazhimskiy, Betul Kacar. Evolutionary stalling and a limit on the power of natural selection to improve a cellular moduleProceedings of the National Academy of Sciences, 2020; 117 (31): 18582 DOI: 10.1073/pnas.1921881117
  2. University of Arizona. “To understand the machinery of life, this scientist breaks it on purpose.” ScienceDaily. ScienceDaily, 13 August 2020. <www.sciencedaily.com/releases/2020/08/200813162126.htm>.

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