In "Il Trono di Spade, "un corvo con tre occhi custodisce i segreti del passato, presente e futuro in un vasto regno fantastico. Ma per i biologi del mondo reale, uno "coleottero con tre occhi" può offrire uno sguardo reale sul futuro dello studio dello sviluppo evolutivo.

Utilizzando un semplice strumento genetico, Gli scienziati dell'UI hanno intenzionalmente coltivato un occhio extra completamente funzionante al centro della fronte del coleottero comune. Svelare i meccanismi biologici alla base di questo evento potrebbe aiutare i ricercatori a capire come l'evoluzione attinge a "mattoni" genetici e di sviluppo preesistenti per creare nuovi tratti complessi, o tratti "vecchi" in luoghi nuovi.

I risultati dello studio appaiono sul giornale della Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze . Il lavoro fornisce anche approfondimenti su un precedente esperimento che ha prodotto accidentalmente un occhio in più come parte di uno studio per capire come si sviluppa la testa dell'insetto.

"La biologia dello sviluppo è meravigliosamente complessa in parte perché non esiste un singolo gene per un occhio, un cervello, un'ala di farfalla o un guscio di tartaruga, " ha detto Armin P. Moczek, un professore nel Dipartimento di Biologia dell'IU Bloomington College of Arts and Sciences. "Anziché, migliaia di geni individuali e dozzine di processi di sviluppo si uniscono per consentire la formazione di ciascuno di questi tratti.

"Abbiamo anche imparato che l'evoluzione di un nuovo tratto fisico è molto simile alla costruzione di una nuova struttura con i Lego, riutilizzando e ricombinando "vecchi" geni e processi di sviluppo all'interno di nuovi contesti".

Come conseguenza, l'evoluzione di nuove caratteristiche spesso richiede molti meno cambiamenti genetici di quanto originariamente pensato dai biologi.

Ma a differenza della riorganizzazione e della combinazione di mattoncini di plastica giocattolo per formare una nuova struttura, Moczek ha affermato che non è chiaro quali meccanismi biologici guidino la costruzione di nuovi tratti fisici in alcune circostanze ma non in altre.

"Puoi fare cose nuove più e più volte o in posti nuovi usando lo stesso vecchio set di 'mattoni, '", ha detto. "Ma in Lego, conosciamo le regole di montaggio:quali pezzi vanno insieme e quali no. In biologia, facciamo ancora fatica a capire le rispettive controparti".

Uno dei modi in cui gli scienziati hanno cercato di ottenere una visione più chiara di questo processo è stato quello di persuadere la crescita di organi "ectopici" o organi che si formano nella parte sbagliata del corpo. I primi lavori sul campo si sono concentrati sulla formazione degli occhi del moscerino della frutta nel posto sbagliato, come sull'ala o sulla gamba. Però, questi esperimenti hanno richiesto l'attivazione di importanti geni regolatori nella nuova posizione, una tecnica che è limitata a pochi organismi di studio. Anche gli "occhi" risultanti non sono mai stati completamente funzionanti.

Al contrario, il nuovo studio condotto da IU riporta la formazione di un occhio extra funzionale, tecnicamente, una "fusione" di due serie di occhi extra, a seguito dell'atterramento di un singolo gene, una tecnica ampiamente disponibile per gli scienziati nella maggior parte degli organismi. La formazione inaspettata di un complesso, l'occhio funzionale in una nuova posizione nel processo è "un notevole esempio della capacità dei sistemi di sviluppo di incanalare massicce perturbazioni verso risultati ordinati e funzionali, " ha detto Moczek.

Per creare un occhio perfettamente funzionante al centro della testa di uno scarabeo, Il team di Moczek ha disattivato un singolo gene chiamato ortodenticle, o strano, che la loro ricerca ha precedentemente dimostrato di svolgere un ruolo nell'istruire la formazione della testa durante lo sviluppo.

"Questo studio interrompe sperimentalmente la funzione di un singolo, gene principale, " ha detto Moczek. "E, in risposta a questa interruzione, il resto dello sviluppo della testa si riorganizza per produrre un tratto altamente complesso in un nuovo posto:un occhio composto al centro della testa.

"Inoltre, la dannata cosa funziona davvero!"

Per confermare che l'occhio era un vero occhio in più, il team IU ha condotto più test per dimostrare che la struttura aveva gli stessi tipi di cellule, espresso gli stessi geni, ha sviluppato connessioni nervose adeguate e ha suscitato la stessa risposta comportamentale di un occhio normale. Ciò che rende i risultati così entusiasmanti, al di là della novità Frankenstein dell'occhio, è la tecnica genetica relativamente semplice utilizzata per ottenere il knockdown del gene, ha detto il ricercatore postdottorato IU Eduardo E. Zattara, chi è l'autore principale dello studio.

Moczek ha affermato che i risultati vanno anche oltre questa applicazione per aiutare ad affrontare questioni fondamentali nello sviluppo, evoluzione e medicina. Per esempio, capire come organi complessi organizzano la loro crescita e integrazione nel corpo sono sfide centrali che le scienze mediche devono superare per sviluppare organi artificiali per la ricerca e il trapianto.

"L'uso degli occhi ectopici è un paradigma altamente accessibile per studiare tutto questo, in molti tipi di organismi, Zattara ha detto. "Riteniamo che questo studio apra davvero la porta a nuove vie di indagine in molteplici discipline".