Scienziati Ricreano l'Evoluzione Della Complessità Usando una "Macchina del Tempo Molecolare"

Molte delle cose che le cellule fanno sono portate avanti da "macchine molecolari", cioè complessi fisici di proteine specializzate che lavorano insieme per compiere qualche funzione biologica. Quali esattamente sono stati i piccoli passi dell'evoluzione che hanno prodotto queste costruzioni è da molto tempo stato un mistero per gli scienziati ed è stato molto spesso usato come argomento da parte di creazionisti che in questa complessità non spiegata vedevano la dimostrazione di un disegno divino. Ora, grazie ad un nuovo studio pubblicato su Nature, un team di scienziati dell'Università di Chicago e dell'Università di Oregon, hanno dimostrato come poche mutazioni, altamente probabili, possano aver aumentato la complessità delle macchine molecolari, più di 800 milioni di anni fa. Resuscitando biochimicamente alcuni antichissimi geni e testando le loro funzioni nei organismi moderni, i ricercatori hanno mostrato che un nuovo componente è stato incorporato nella macchina per via della perdita selettiva di funzioni piuttosto che un'apparizione improvvisa di nuove capacità.

"La nostra strategia era quella di usare "una macchina del tempo molecolare" per ricostruire e caratterizzare sperimentalmente tutte le proteine in questa macchina molecolare poco prima e poco dopo che ha aumentato la sua complessità." ha dichiarato Joe Thornton, autore della ricerca, PhD e professore di genetica umana ed evoluzione & ecologia, presso l'Università di Chicago, professore di biologia presso l'Università di Oregon e Scienziati del Howard Hughes Medical Institute.
"Ricostruire i componenti della macchina così come erano in passato, ci ha permesso di stabilire esattamente come la funzione di ogni proteina è cambiata nel tempo e abbiamo identificato le specifiche mutazioni genetiche che hanno portato la macchia a diventare più elaborata."

Questo studio, che è una collaborazione tra il laboratorio di evoluzione molecolare di Thornton ed un gruppo di ricerca biochimica di Tom Stevens, professore di chimica dell'Università di Oregon e membro dell'Istituto di Biologica molecolare, si è concentrato su un preciso complesso molecolare chiamato pompa protonica V-ATPase, che aiuta a mantenere la giusta acidità dei compartimenti all'interno di una cellula.

Uno dei componenti maggiori della pompa è un anello che trasporta ioni di idrogeno attraverso le membrane. Nella maggior parte delle specie, questo anello è composto da un totale di 6 coppie di due diverse proteine, ma nei funghi un terzo tipo di proteine è stato incorporato nel complesso. Per capire come questo anello ha aumentato la sua complessità, Thornton ed i suoi colleghi hanno "resuscitato" le versioni ancestrali delle versioni delle proteine dell'anello, poco prima e poco dopo che la terza sub-unità è stata incorporata. Per fare questo, i ricercatori hanno usato un grande ammasso di computer che hanno analizzato le sequenze genetica di 139 proteine di anelli moderni, tracciando la loro evoluzione indietro nel tempo lungo l'Albero della Vita, per identificare la più probabile sequenza ancestrale. Hanno poi usato dei metodo biochimici per sintetizzare quei antichi geni e per farli esprimere in cellule di lievito moderne.

Il gruppo di ricerca di Thornton ha aiutato a sviluppare per la prima volta questo approccio di viaggio nel tempo molecolare per cercare singoli geni; questa è però la prima volta che la stessa tecnica è stata applicata a tutti i componenti di una macchina molecolare.

Il gruppo ha scoperto che il terzo componente dell'anello presente nei Funghi ha avuto origine quando un gene che codificata una delle sub-unità del vecchio anello a due proteine, è stato duplicato ed i geni figli poi si sono dispersi per due diverse linee evolutive.

L'antenato pre-duplicazione si è dimostrato essere molto più versatile di entrambi i sui discendenti: esprimere il gene ancestrale ha salvato le cellule di lievito che altrimenti avevano fallito di crescere perché uno o entrambi gli anelli proteici discendenti erano stati cancellati. Per contrasto, ogni gene resuscitato da dopo la duplicazione poteva solo compensare della perdita di un solo gene.

I ricercatori hanno concluso che le funzioni della proteina ancestrale erano partizionate tra le coppie duplicate e l'aumento nella complessità era dovuto alla perdita complementare di funzioni ancestrali piuttosto che il guadagno di nuove funzioni. Manovrando attentamente un set di proteine ancestrali fuse tra di loro con specifici orientamenti, il gruppo ha mostrato che le proteine duplicate perdevano la loro capacità di interagire con alcune delle altre proteine nell'anello. L'antenato pre-duplicazione invece poteva occupare 5 delle 6 possibili posizioni nell'anello. Ogni gene duplicato aveva perso la capacità di riempire alcune delle caselle occupate dall'altro, quindi entrambi sono diventati componenti obbligatori perché il complesso possa assemblarsi e funzionare.

"E' contro-intuitivo ma è semplice: la complessità è aumentata perché funzioni delle proteine sono state perse, non guadagnate. Così come nella società, la complessità aumenta quando gli individui e le istituzioni si dimenticano come essere generalisti e diventano sempre più dipendenti da specialisti con capacità sempre più ristrette." ha spiegato Thornton.

L'ultimo obbiettivo del team di ricerca è stato quello di identificare le specifiche mutazioni genetiche che hanno causato la degenerazione funzionale dei discendenti post-duplicazione. Re-introducendo le mutazioni storiche che sono avvenute dopo la duplicazione all'interno della proteina ancestrale, hanno scoperto che bastava una singola mutazione da ognuno dei due lignaggi per distruggere le stesse specifiche funzioni e far partire la necessità di formare un terzo anello di proteine.

"I meccanismi per questo aumento nella complessità sono incredibilmente semplici e sono avvenimenti molto comuni" ha spiegato Thronton. "La duplicazione dei geni avviene frequentemente nelle cellule, ed è facile che ci siano errori nella trascrizione del DNA, e basta poco per cancellare la capacità di una proteina di interagire con certi partner. Non è che l'evoluzione abbia avuto bisogno di qualche combinazione speciale di 100 mutazioni per creare una nuova funzione complicata."
Thornton spiega che l'accumulo è semplice, i cambiamenti degenerativi lungo grandi periodi di tempo potrebbe aver creato molti dei macchinari molecolari complessi presenti nei organismi di oggi. Un simile meccanismo è la prova contro il concetto di un disegno intelligente che vede in queste macchine una "complessità irriducibile", cioè che le macchine molecolari siano troppo complesse da essere frutto dell'evoluzione e debbano quindi essere state create.
"Mi aspetto che molti più studi come questo vengano fatti in futuro, e sicuramente simili dinamiche verranno osservate per l'evoluzione di molti complessi molecolari" ha dichiarato Thronton. "Queste davvero sono molto diverse dalle macchine costruite con precisione. Questi sono gruppi di molecole che si incastrano tra di loro e che sono stati ammassati insieme durante l'evoluzione da rappezzamenti, degrado e un po' di buona fortuna. Sono poi stati preservati fino al giorno nostro perché hanno aiutato i nostri antenati a sopravvivere."

Determinare questi processi è anche di grande interesse astrobiologico in quanto ci permetterà di determinare meglio in quali condizioni la vita potrebbe essere nata in altri posti del sistema solare e come potrebbe essersi evoluta con il cambiare delle condizioni.

http://www.eurekalert.org/pub_releases/2012-01/uocm-eoc010512.php

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