Utilizzando immagini 3D dettagliate, i ricercatori hanno dimostrato come i batteri si siano evoluti motori molecolari di diversa potenza per ottimizzare il loro nuoto.

La scoperta, da un team dell'Imperial College di Londra, fornisce approfondimenti sull'evoluzione su scala molecolare.

I batteri usano motori molecolari larghi solo decine di nanometri per far girare una coda (o "flagellum") che li spinge attraverso il loro habitat. Come motori di fabbricazione umana, la struttura di queste macchine su scala nanometrica determina la loro potenza e la capacità di nuoto dei batteri.

In precedenza, il team del Dipartimento di scienze della vita dell'Imperial ha esaminato questi motori e ha scoperto un fattore chiave che determinava la forza del nuoto dei batteri. Come motori di fabbricazione umana, i motori batterici hanno componenti distinti "statore" e "rotore" che ruotano l'uno contro l'altro.

Il team ha scoperto che più strutture statoriche possedeva il motore batterico, maggiore è la sua forza di rotazione, e più forte nuotava il batterio. Nonostante queste differenze, L'analisi della sequenza del DNA mostra che i motori principali sono correlati in modo ancestrale. Ciò ha portato gli scienziati a chiedersi come la struttura e la diversità del nuoto si siano evolute dallo stesso design di base.

Ora, in una nuova ricerca pubblicata oggi sulla rivista Rapporti scientifici , i ricercatori sono stati in grado di costruire un "albero genealogico" di motori batterici combinando l'imaging 3D con l'analisi del DNA. Questo ha permesso loro di capire che aspetto potevano avere i motori ancestrali, e come avrebbero potuto evolversi nei motori sofisticati visti oggi.

Il team ha trovato una chiara differenza tra i motori di specie batteriche primitive e sofisticate. Mentre molte specie primitive avevano circa 12 statori, specie più sofisticate avevano circa 17 statori. Questo, insieme all'analisi del DNA, ha suggerito che i motori antichi potrebbero anche avere avuto solo 12 statori.

Questa netta separazione tra specie primitive e sofisticate rappresenta un "salto quantico" nell'evoluzione, secondo i ricercatori. Il loro studio rivela che l'aumento della capacità di potenza del motore è probabilmente il risultato della fusione delle strutture esistenti. Questo forma un'impalcatura strutturale per incorporare più statori, che si combinano per guidare la rotazione con una forza maggiore.

Il ricercatore capo, il dott. Morgan Beeby, ha dichiarato:"Siamo abituati a osservare l'evoluzione su scala di animali o piante, come il collo della giraffa che si allunga lentamente nel tempo per raggiungere cibo precedentemente inaccessibile.

"Però, l'evoluzione su scala molecolare è molto più radicale. È come se una giraffa avesse figli con il collo improvvisamente più lungo di un metro".

Per realizzare lo studio, il team ha visualizzato una serie di motori di diverse specie di batteri utilizzando una variante di un metodo chiamato microscopia crio-elettorale, i cui pionieri hanno ricevuto quest'anno il Premio Nobel per la Chimica. Il metodo prevede il congelamento rapido dei motori all'interno delle cellule viventi. Una volta congelato, possono essere ripresi da tutti gli angoli per creare un'immagine 3D di come appare il motore all'interno della cellula.

Hanno quindi costruito un "albero genealogico" della specie utilizzando l'analisi della sequenza del DNA, che mettevano in relazione la loro capacità di nuoto e le proprietà motorie. Hanno scoperto che i batteri con 17 o più statori, e i loro parenti, avevano strutture extra attaccate ai loro motori.

I ricercatori ritengono che queste strutture extra si siano fuse in batteri sofisticati per fornire un'impalcatura più grande per supportare più statori.

Però, dicono anche che questo non era probabilmente un evento di una volta. Le strutture extra sembrano essersi evolute molte volte in diverse specie di batteri, utilizzando diversi elementi costitutivi ma producendo la stessa funzionalità.

Le stesse funzioni che si evolvono indipendentemente in organismi completamente diversi sono state viste in precedenza nei regni animale e vegetale. Per esempio, insetti, pipistrelli e uccelli hanno tutti ali evolute che sono simili nella funzione ma hanno origini completamente diverse, gli occhi sono emersi più volte, e ci sono buone prove che anche i sistemi nervosi si sono evoluti più volte, con alcune creature che possiedono strani sistemi a differenza del cervello e del midollo spinale a cui siamo abituati.

Il Dr. Beeby ha detto:"I motori batterici sono macchine complesse, ma con studi come questo possiamo vedere come si sono evoluti in fasi distinte. Inoltre, il 'salto' da 12 statori a 17, mentre una grande innovazione, ha un aspetto di "inevitabilità biologica" allo stesso modo delle ali, occhi, o sistema nervoso negli animali superiori:i precursori della coppia elevata si sono evoluti più volte, e un gruppo di loro ha finito per fondersi per formare l'impalcatura che descriviamo nel nostro lavoro."

Ha aggiunto:"L'evoluzione è un processo creativo, spesso attingendo a variazioni su un tema. Sforna costantemente nuove idee molecolari, molti dei quali falliscono, ma inevitabilmente alcuni si realizzano più volte. Lo abbiamo visto negli animali, e ora vediamo questo processo anche nel mondo nanoscopico dell'evoluzione molecolare".