Scuotere le fondamenta della vita
L'evoluzione non conosce soste. Può persino essere guidata da disturbi. Come i ricercatori dell'ETH vogliono scoprire il segreto del cambiamento.
La vita ha fatto molta strada. Circa quattro miliardi di anni fa si formarono i precursori delle cellule, le cosiddette protocellule. Queste si sono evolute in batteri e archei, e due miliardi di anni fa sono emersi i primi eucarioti, che hanno costituito la base per organismi multicellulari e più complessi. Nulla è rimasto com'era. Le perturbazioni si sono ripetute: Meteoriti, eruzioni vulcaniche, ere calde e glaciali. Le estinzioni di massa si sono verificate almeno cinque volte nella storia della Terra, ma non è stato possibile sopprimere la vita.
Una delle forze trainanti dell'evoluzione è il cambiamento: Nuova competizione per il cibo e lo spazio, scarsità di cibo, cambiamenti ambientali, cambiamenti climatici: tutti gli organismi, dai batteri agli elefanti, devono costantemente cambiare e adattarsi, altrimenti si estinguono.
La cooperazione come modello di successo
I batteri sono oggetti di ricerca ideali per studiare i cambiamenti evolutivi perché sono piccoli e hanno tempi di generazione molto brevi. Il professor Gregory Velicer dell'ETH ha scelto il batterio del suolo come modello di successo. Myxococcus xanthus selezionato. Questo microbo vive in gruppi che cacciano insieme altri microrganismi. In tempi di fame, migliaia di Myxococcus-Le cellule batteriche formano un corpo fruttifero da cui fuoriescono le spore, che possono sopravvivere nel terreno per molto tempo nelle condizioni più avverse.
"È ormai chiaro che i microbi non sono solitari isolati, ma organismi altamente sociali. Cooperano, imbrogliano o combattono all'interno di gruppi sociali di cellule della stessa specie, da un lato, e nel contesto di complesse comunità interspecifiche, dall'altro", afferma il professore di Ecologia evolutiva presso l'Istituto di Biologia Integrativa. Ciò è rilevante anche in relazione agli agenti patogeni. Per esempio, le cellule del temuto germe dell'ospedale Pseudomonas aeruginosa o l'agente patogeno del colera Vibrio cholerae hanno una speciale comunicazione cellula-cellula che permette loro di formare biofilm resistenti o citotossine.
"Come la cooperazione si sviluppi nel tempo e si affermi contro il comportamento individuale 'egoista', senza andare perduta nel processo, è una delle questioni importanti della biologia evolutiva", afferma Velicer.
Qualche tempo fa, insieme ai suoi colleghi, è riuscito a dimostrare che esistono Myxococcus-Cellule che imbrogliano altre cellule dello stesso gruppo: alcuni mutanti non formano corpi fruttiferi o spore da soli. Tuttavia, se questi sono mescolati con cellule che cooperano e formano spore, gli imbroglioni sfruttano questa capacità senza fornire l'energia necessaria sotto forma di sostanze messaggere ed enzimi insieme agli altri cooperatori. Ciò consente ai cheaters di aumentare la loro quota in una popolazione praticamente gratis, mettendo così a repentaglio l'esistenza dei sistemi cooperativi. "Abbiamo persino osservato che i bari causano l'estinzione di intere popolazioni di cooperatori e bari", spiega Velicer.
Tuttavia, la cooperazione è un modello di successo dell'evoluzione: in un gran numero di sistemi biologici, la cooperazione si è dimostrata evolutivamente resistente all'inganno. Perché la cooperazione Myxococcus-I batteri possono produrre rapidamente adattamenti sociali, come ha scoperto Velicer in un altro studio. Velicer ha osservato come un ceppo originariamente socialmente attivo si sia evoluto prima in un imbroglione e poi di nuovo in un cooperatore; e questo anche in una nuova forma meglio adattata, altamente resistente ai tentativi di imbroglio dei suoi stessi antenati. In un ulteriore studio, un collaboratore di Velicer ha scoperto che il ripristino della cooperazione è stato ottenuto grazie a una singola mutazione in un piccolo RNA (sRNA) precedentemente sconosciuto. Si è scoperto che questo sRNA era essenzialmente coinvolto nella regolazione della formazione dei corpi fruttiferi.
Improvvisamente il genoma è raddoppiato
I cambiamenti nel materiale genetico sono una delle basi dell'evoluzione. Si verificano spontaneamente e casualmente; spesso sono insignificanti e non hanno alcun effetto. Tuttavia, esistono anche cambiamenti genetici massicci che interessano l'intero genoma: il raddoppio dell'intero set di cromosomi. Ciò avviene da un momento all'altro, quando i cromosomi non vengono dimezzati come di consueto durante la meiosi, la divisione maturativa delle cellule germinali, e vengono divisi uniformemente tra le cellule germinali risultanti. I cromosomi sono fili di DNA avvolti da una struttura portante di proteine. Ogni cellula del corpo umano ha 46 cromosomi: due cromosomi sessuali e 22 coppie.
Se la meiosi fallisce, una delle cellule germinali risultanti riceve tutti i cromosomi e quindi l'intero materiale genetico. Rimane diploide, mentre l'altra rimane vuota e muore. Se due cellule germinali diploidi si fondono, si sviluppa un organismo le cui cellule hanno una serie quadrupla di cromosomi. Si tratta di un organismo improvvisamente poliploide, che pone sfide sostanziali alla biologia cellulare e alla fisiologia dell'organismo.
La professoressa Kirsten Bomblies dell'ETH sta studiando questo fenomeno: "Queste poliploidie si verificano in modo casuale o in seguito a cambiamenti ambientali come la siccità, il freddo o lo stress salino", e si trovano spesso nelle piante, meno frequentemente nei pesci o negli anfibi. Nei mammiferi esiste solo un caso molto controverso di specie poliploide. La maggior parte delle poliploidie non è vitale. Tuttavia, questo offre ad alcuni individui un vantaggio. "Le piante con più serie di cromosomi sono molto più resistenti alla siccità e al sale rispetto ai loro antenati", spiega la professoressa di Genetica evolutiva delle piante presso il Dipartimento di biologia dell'ETH di Zurigo. Le piante poliploidi hanno anche frutti e semi più grandi, il che rende questo "modello" interessante per la selezione di colture più produttive e resistenti.
Importanti colture alimentari sono già state rese poliploidi grazie alla selezione: Grano, patate, mais e perfino il caffè hanno più serie di cromosomi. In uno dei suoi progetti, la ricercatrice sta studiando perché le piante poliploidi sono così resistenti allo stress. Uno dei motivi è la dimensione delle cellule. Le cellule poliploidi sono più grandi di quelle diploidi. Questo influenza le loro interazioni con l'ambiente, ad esempio nello scambio di gas e acqua. "Per me, come biologo evoluzionista, la poliploidia è un 'disturbo' entusiasmante", sottolinea Bomblies. "È profondo perché cambia tutto nella biologia di un organismo".
Questo testo è stato pubblicato nel numero 21/01 della rivista dell'ETH Il globo pubblicato.