Sergei Maslov, un professore di bioingegneria e fisica all'Università dell'Illinois, vede un "universo in un granello di sabbia". La sua ricerca cerca di esplorare quell'universo concentrandosi sulla diversità genomica dei suoi costituenti:i milioni di microbi che prosperano e si riproducono al suo interno.

Il recente studio di Maslov, pubblicato in Genetica , ha esaminato le dinamiche che governano questa diversità modellando gli effetti di diversi fattori sull'evoluzione della sequenza del genoma. I coautori dello studio erano ex membri del laboratorio di Maslov, Purushottam Dixit, ora ricercatore post-dottorato alla Columbia University, e Tin Yau Pang, ora ricercatore post-dottorato presso l'Università di Dusseldorf. Insieme, Dixit, Pang e Maslov, che è anche uno studioso della Facoltà di Bliss e membro del Carl R. Woese Institute for Genomic Biology e del National Center for Supercomputing Applications, ha chiarito le condizioni che mantengono una specie batterica coesa o la guidano verso la diversità.

L'origine del presente lavoro è stata un'interazione casuale tra Maslov e il suo collega F. William Studier, un rinomato biologo del Brookhaven National Laboratory. Lo studioso e altri stavano esplorando la sequenza del genoma di diversi ceppi di Escherichia coli e sono stati incuriositi dall'osservazione che alcune aree del genoma variavano notevolmente, più del previsto per caso, nel numero di differenze di sequenza tra i due ceppi.

Maslov è stato coinvolto nel puzzle presentato da questa scoperta, e alla fine ha aiutato il gruppo a concludere che le regioni con sequenze molto diverse potrebbero essere spiegate dalla ricombinazione, un meccanismo che consente alle cellule batteriche di ottenere frammenti di DNA dai loro vicini e di incorporarli nei propri genomi.

"Sono una persona computazionale, quindi sono davvero motivato non da un campo necessariamente da un interesse per i problemi. Quindi se è un enigma, Mi piace romperlo se possibile, " Ha detto Maslov. Anche dopo che il lavoro con Studier è stato pubblicato, Maslov ha continuato a sentirsi attratto dalle domande poste dalla scoperta. "Volevamo capire come si formano le specie batteriche e quali sono le forze che le mantengono coerenti".

Un fisico di formazione, Maslov pone questa domanda in termini di cosmologia:nell'universo dei microbi, come fa la mutazione, errori casuali nella sequenza del genoma che espandono la variazione trovata all'interno di un ceppo, paragonare alla "forza gravitazionale" vincolante della ricombinazione? Lui ei suoi coautori hanno deciso di rispondere a questa domanda con l'aiuto del database pubblico in continua crescita di dati genomici batterici.

"Immediatamente dopo un evento di ricombinazione, due genomi batterici diventano identici per una parte della loro sequenza genomica, il che significa che sono in un certo senso più vicini tra loro. . . [ma] se hai due sequenze batteriche che divergono troppo l'una dall'altra, perdono solo la capacità di ricombinarsi tra loro, " Ha detto Maslov. "Il nostro obiettivo era cercare di capire più in generale il problema del mantenimento delle specie batteriche".

Maslov e i suoi coautori hanno sviluppato un modello computazionale che ha catturato gli elementi di base dell'evoluzione batterica:il livello esistente di diversità genomica tra coppie di individui all'interno di una popolazione, il tasso di mutazioni casuali, e la capacità di ricombinazione. Il modello ha quantificato le relazioni tra tutti questi fattori poiché influenzano la sequenza del genoma all'interno di una popolazione di batteri. I ricercatori hanno scoperto che l'equilibrio tra questi fattori crea una divisione abbastanza netta tra due stati distinti:metastabilità e divergenza.

"I parametri principali che risultano essere rilevanti... è la frequenza con cui il particolare organismo genomico si ricombina con i membri della sua stessa specie, e la dimensione complessiva della popolazione, quindi a seconda di queste due variabili puoi avere due regimi, o un regime in cui la ricombinazione avviene sufficientemente frequentemente da avere una specie coerente che sta insieme a lungo, o hai questo regime in cui si rompe in sottospecie, " ha detto Maslov.

In altre parole, frequenti eventi di ricombinazione possono mantenere una popolazione di batteri in uno stato metastabile, uno in cui è improbabile che si verifichi la speciazione anche nel corso di molte generazioni. Una popolazione più ampia in cui il tasso di mutazione può superare gli effetti omogeneizzanti della ricombinazione divergerà rapidamente. Ma Maslov ha sottolineato che in un arco di tempo sufficientemente lungo, la speciazione è inevitabile quanto l'espansione dell'universo.

"Prima o poi ci sarà uno strano incidente, perché nel momento in cui la distanza genetica tra due specie supera una certa soglia, perdono effettivamente la capacità di ricombinarsi, " ha detto. "La nuova specie si formerà, quindi è più una questione di quanto tempo una data entità, che attualmente chiamiamo una specie batterica, vivrà per".

Spiegando le caratteristiche di base della speciazione batterica, questo lavoro affronta questioni fondamentali sull'evoluzione e potrebbe eventualmente contribuire agli sforzi per monitorare e prevenire lo sviluppo della resistenza ai farmaci o della virulenza nei patogeni che causano malattie.