Questa immagine è una rappresentazione semplificata del classico panorama del fitness. Se si verifica una mutazione, l'organismo cadrà normalmente dalla cima del picco nel fosso, perdendo la forma fisica e probabilmente non sopravvivendo o riproducendosi. Credito:OIST
Ciò che fondamentalmente distingue un essere umano da ogni altra creatura vivente dipende dalle differenze nelle sequenze del DNA, un insieme di molecole geneticamente ereditate che si trovano in ogni cellula di ogni organismo. Queste differenze si sono accumulate nel corso di milioni di anni, principalmente attraverso mutazioni casuali, fondamentalmente errori nel modo in cui il DNA è stato copiato. La maggior parte di queste mutazioni ha un impatto negativo sull'organismo e probabilmente lo farà morire prima che abbia la possibilità di riprodursi. Tuttavia, alcuni avranno un impatto positivo o neutro sull'organismo e si diffonderanno nella popolazione. Questi errori nelle sequenze del DNA hanno portato alla diversità della vita che vediamo oggi nel mondo. Ma molti aspetti di come queste mutazioni possono aumentare la forma fisica rimangono poco conosciuti.
"Siamo riusciti a mostrare sperimentalmente, per la prima volta, un concetto di mutazione ed evoluzione che in precedenza era stato solo teoricamente affermato", ha affermato il Prof. Yohei Yokobayashi, che guida l'Unità di chimica e ingegneria degli acidi nucleici presso l'Okinawa Institute of Science e Technology Graduate University (OIST). "Si chiama rete neutrale e si ritiene che sia vitale per aumentare la diversità in una popolazione". Questa ricerca è stata pubblicata su Nature Communications .
I geni, costituiti da coppie di basi del DNA, contengono le istruzioni necessarie per creare le proteine e portano alla cura e al mantenimento adeguati di una cellula. Affinché le istruzioni vengano eseguite, il DNA deve essere prima trascritto in RNA. Pertanto, l'RNA è come un riflesso del DNA.
Esistono quattro coppie di basi standard per RNA e DNA. Per l'RNA, questi sono A, G, C e U. Il prof. Yokobayashi ha spiegato il concetto di rete neutra fornendo un esempio di sequenza semplificata di basi di RNA.
"Ad esempio, la sequenza di RNA AAAAAAA muta in AAAUAAA, che poi muta in GAAUAAA. La prima variante è collegata alla seconda, che è collegata alla terza da una sola mutazione. Se queste mutazioni mantengono la stessa forma fisica, l'organismo potrebbe sopravvivere e la mutazione potrebbe essere ereditata dalle generazioni future. Ciò aumenta la diversità generale e la diversità è essenziale affinché una specie si adatti ai cambiamenti dell'ambiente."
Questa immagine è una rappresentazione semplificata di un panorama di fitness quando è presente una rete neutra. Quando c'è una mutazione, la forma fisica viene mantenuta. Credito:OIST
Una rete neutra è un'intera serie di sequenze di base proprio come questa (anche se molto più lunghe), in cui ogni nuova sequenza, differendo solo per una base, ha all'incirca la stessa forma fisica di quella precedente e successiva. Gli scienziati sospettavano da tempo la loro esistenza, ma è molto difficile dimostrarli sperimentalmente. In origine si pensava che tutti gli spazi delle sequenze di RNA avrebbero dovuto avere la possibilità di ospitare una grande rete neutra, ma nessuno ha mai trovato in pratica queste reti neutre su larga scala.
In questo studio, i ricercatori hanno esaminato un tipo di RNA chiamato ribozima ligasi, che era stato precedentemente sintetizzato ma non era noto per costituire una rete neutra. Hanno scelto questo ribozima perché la sua funzione è quella di collegare o legare insieme due pezzi di RNA. Questo ruolo ha importanti implicazioni per l'origine della vita in quanto è vitale per l'autoreplicazione.
L'intero ribozima ha circa 80 paia di basi, ma i ricercatori si sono concentrati su un'area di 35 paia di basi che è importante per la funzione del ribozima e quindi per misurarne la forma fisica complessiva.
Attraverso la progettazione di sequenze computazionali aiutata da un algoritmo evolutivo e dall'apprendimento profondo, gli scienziati hanno progettato molti mutanti di questo ribozima e determinato sperimentalmente la loro forma fisica. Hanno finito per testare più di 120.000 varianti e sono stati in grado di aumentare la frazione di varianti neutre nella popolazione progettata da circa il 10% a quasi il 90%.
Hanno quindi scelto una delle varianti che avevano identificato. Questo differiva dal ribozima originale di 16 mutazioni. Hanno esaminato tutti i diversi percorsi che avrebbero potuto essere presi per passare dal ribozima originale alla nuova variante, una mutazione alla volta per 16 passaggi, e hanno trovato 65.536 diverse varianti di cui il 60% funzionale.
Le mutazioni devono mantenere un livello di fitness simile rispetto a quello precedente e successivo se si vuole aumentare la diversità. Se la mutazione ha un impatto negativo sulla variante, il percorso per raggiungere altre varianti non sarà accessibile. L'immagine sopra mostra una breve sequenza e le mutazioni che ne derivano. Come si può vedere, o le mutazioni mantengono lo stesso livello di forma fisica di quella precedente e continuano a formare nuovi mutanti, oppure sono di livello di forma fisica inferiore e si estinguono. Si prega di notare che la sequenza è solo un esempio e non si riferisce specificamente a questa ricerca. Credito:OIST
I ricercatori hanno quindi esaminato i percorsi che contenevano solo mutazioni funzionali e hanno scoperto che il 10% dei percorsi era accessibile.
"Questo è piuttosto alto", ha detto il dottorato di ricerca. candidato e primo autore, Rachapun Rotrattanadumrong. "Altri lavori sperimentali non hanno mai trovato un numero così elevato di percorsi accessibili tra due varianti."
I ricercatori hanno sottolineato che questa prova sperimentale di una rete neutra ha dimostrato che è possibile che reti neutre si formino in uno spazio di sequenza di RNA, anche se non così ampiamente come il lavoro teorico vorrebbe far credere loro. Un'altra domanda interessante potrebbe riguardare l'esame di quali proprietà sono necessarie per la formazione di questo tipo di rete.
"Questo lavoro consentirà alle persone di testare sperimentalmente molte ipotesi", ha continuato Rotrattanadumrong. "Abbiamo fornito il primo set di dati sperimentale di una rete neutra. Permetterà ai ricercatori di rispondere a domande su come l'RNA si è evoluto e continua ad evolversi". + Esplora ulteriormente
