Biologi del MIT hanno cercato di ricostruire la storia evolutiva delle prime forme di vita

Grazie alla biologia computazionale alcuni biologi del MIT hanno cercato di ricostruire i genomi e l’evoluzione delle prime forme di vita. Ricostruire il quadro dell’evoluzione della vita prima della cosiddetta esplosione del Cambriano, 580 milioni di anni fa, è estremamente difficile, dato che ben raramente gli organismi a corpo molle vissuti nei tre miliardi di anni precedenti hanno lasciato reperti fossili. La traccia più sicura è di fatto il DNA che gli organismi si sono tramandati di generazione in generazione.

Proprio seguendo queste tracce, Eric Alm e Lawrence David, come spiegano in un articolo pubblicato su Nature, hanno combinato le informazioni conservate nelle sempre più estese banche del genoma con un nuovo modello matematico che tenesse conto del modo in cui i geni evolvono: nuove famiglie geniche possono svilupparsi e venire ereditate; altri geni possono essere scambiati e trasferiti orizzontalmente fra differenti organismi; altri ancora possono venire duplicati all’interno di uno stesso genoma e, infine, alcuni possono andare persi.

Spieghiamo prima cosa è la biologia computazionale e poi entreremo nel dettaglio del loro studio.

La Biologia Computazionale si pone come obiettivo la soluzione di numerosi problemi biologici mediante l’applicazione di sofisticate tecnologie informatiche e telematiche.  La biologia molecolare riduce fenomeni biochimici complessi alla interazione tra sequenze definite. Non sorprende allora il fatto che problemi fondamentali in biologia molecolare siano definiti come problemi computazionali su sequenze o stringhe: ricostruire lunghe stringhe di DNA da frammenti che si sovrappongono, (fragment assembly), confrontare due o più stringhe per scoprire similarità (cioè stringhe codificanti uguali funzionalità), ricercare pattern che occorrono con una certa frequenza nelle sequenze di DNA o di proteine (RNA).
Lawrence David ed Eric Alm, del MIT di Cambridge, sono riusciti così con questa tecnica a ricostruire la storia evolutiva dei genomi partendo da quelli attuali, fino ad arrivare a circa 4 miliardi di anni fa. Grazie a un complesso modello matematico, i due ricercatori hanno di fatto scoperto quali geni possedevano i batteri che sguazzavano negli oceani del Precambriano, senza ovviamente aver mai visto un solo reperto fossile di questi microrganismi.

In questo modo  i due scienziati hanno cercato di ricreare un genoma fossile che possa essere utile non solo a capire quando sono comparsi i diversi geni, ma anche quali organismi li possedessero. I risultati di questo lavoro indicano che il complesso genomico di tutte le forme di vita ha subito una forte espansione fra 3,3 e 2,8 miliardi di anni fa, un lasso di tempo in cui è sorto il 27 per cento delle famiglie di geni attualmente presenti e che proprio per questo i ricercatori hanno battezzato “espansione archeana”.

Il modello messo a punto dai due scienziati americani si chiama AnGST (Analyser of Gene and Species Trees) e prende in considerazione tutti gli eventi che potrebbe subire il genoma di un organismo vivente durante l’evoluzione: i geni infatti possono nascere, essere persi, duplicarsi o traslocare da una specie a un’altra. E’ stato in questo modo possibile ricostruire la storia evolutiva di circa 4000 famiglie geniche, e scoprire che il momento clou di tutto il cammino evolutivo risale a circa 3 miliardi di anni fa, nel periodo noto come Archeano.

Quella che gli autori chiamano “espansione Archeana” è stata un vero e proprio boom genetico, che ha visto prima una comparsa quasi esplosiva di nuovi geni, e successivamente un’altrettanto repentina eliminazione. Il 27% delle famiglie geniche di oggi sono nate in quel preciso momento. E’ come se improvvisamente quelle cellule primordiali avessero in qualche modo rivoluzionato il proprio arsenale genetico, forse perché divenuto obsoleto per le nuove condizioni ambientali.
Dato che molti dei nuovi geni sono in correlazione con l’ossigeno, una prima ipotesi sulla loro comparsa sarebbe quella che fa dipendere l’espansione archeana proprio dall’aumento della concentrazione atmosferica di questo elemento, i cui livelli sono rimasti bassi fino a quello che è noto come Grande evento di ossidazione, verosimilmente responsabile della scomparsa di buona parte delle forme di vita anaerobiche prima esistenti.

Tuttavia, questo evento – che Alm definisce “il più catastrofico avvenimento della storia della vita cellulare, anche se non possediamo dati biologici di esso” – andrebbe collocato, in base alle risultanze geochimiche, a circa 2,5 miliardi di anni fa.
Ma cosa è accaduto di così sconvolgente 3 miliardi di anni fa? Inizialmente si pensava all’aumento della concentrazione di ossigeno in seguito a quello che gli scienziati chiamano Great Oxidation Event, ma analizzando meglio i geni nati durante l’espansione Archeana è stato possibile escludere questa possibilità: gli enzimi che utilizzano l’ossigeno appaiono infatti solo al termine di questo boom, e la concentrazione di ossigeno non può quindi essere stato il fattore scatenante.

Alm e David ritengono che quella che hanno identificato sia piuttosto la nascita del moderno processo biochimico che è responsabile del trasporto di elettroni all’interno delle membrane cellulari e che permette sia la respirazione sia un efficiente processo fotosintetico. Dunque, ipotizzano i ricercatori, la crescita della quantità di ossigeno potrebbe essere stata al contrario una conseguenza del boom genetico. Sembra infatti che i geni nati in quel momento siano legati al trasporto degli elettroni e alla respirazione cellulare anaerobica. Qui nacquero insomma i primi meccanismi fotosintetici, che iniziarono a produrre grandi quantità di ossigeno e presumibilmente provocarono il Great Oxidation Event: non stupisce quindi che subito dopo iniziarono a comparire le prime proteine in grado di utilizzare questo gas.

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