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Gli esseri umani hanno involontariamente condotto esperimenti di evoluzione per millenni attraverso l'addomesticamento di piante, animali e funghi. A cominciare dagli esperimenti seminali di William Dallinger alla fine del 19 esimo secolo, tali esperimenti sono stati eseguiti in condizioni di laboratorio controllate per comprendere meglio i processi ei vincoli dell'evoluzione.
Gli esperimenti evolutivi generalmente implicano l'imposizione di una pressione selettiva ben definita (come temperatura estrema, nutrienti limitati o presenza di un composto tossico) su un organismo e quindi lo studio di come si adatta a queste nuove condizioni. L'esperimento di evoluzione controllata più lungo è stato iniziato nel 1998 da Richard Lenski e continua ancora oggi, coinvolgendo oltre 60.000 generazioni del batterio Escherichia coli.
Sebbene questi esperimenti abbiano fornito informazioni fondamentali sui processi evolutivi come l'adattamento, la selezione e la mutazione, è chiaro che l'evoluzione naturale avviene sotto vincoli molto più complessi. Un nuovo studio pubblicato su Genome Biology and Evolution getta nuova luce sul modo in cui l'evoluzione in laboratorio può differire da ciò che accade in natura.
Secondo la coautrice Ruth Hershberg, professore associato al Technion-Israel Institute of Technology, i loro "risultati mostrano che l'adattamento di laboratorio, che si verifica in risposta a pressioni abbastanza semplici e forti, può spesso verificarsi attraverso mutazioni che non possono verificarsi in natura, o sono molto transitori, se si verificano".
Lo studio, che è stato co-autore di Technion Ph.D. studente Yasmin Cohen, ha cercato di spiegare un apparente paradosso notato dagli autori quando riflettevano sulle mutazioni identificate nei loro esperimenti di evoluzione che coinvolgono i batteri:vale a dire, che le proteine in cui le mutazioni si verificano più spesso in laboratorio sono le stesse che cambiano di più lentamente su lunghi tempi evolutivi.
Per esplorare ulteriormente questa osservazione, Cohen e Hershberg hanno esaminato specificamente due geni che codificano per l'enzima centrale della RNA polimerasi (RNAPC), che hanno dimostrato di essere coinvolti nell'adattamento all'interno di molti esperimenti indipendenti di evoluzione di laboratorio in E. coli, la specie più comunemente usata per questi tipi di esperimenti.
La loro indagine sulla letteratura ha identificato mutazioni adattive in 140 posizioni di amminoacidi attraverso queste proteine in risposta a 12 diverse condizioni di laboratorio, tra cui l'esposizione agli antibiotici, l'esaurimento prolungato delle risorse, la crescita ad alte temperature e la crescita all'interno di mezzi a basso contenuto di nutrienti (minimi). Sorprendentemente, c'era pochissima sovrapposizione in questi siti adattativi, con solo quattro dei 140 che apparivano in più di una condizione.
Inoltre, confrontando questi siti con il resto della sequenza proteica attraverso i lignaggi batterici, gli autori hanno scoperto che non solo l'adattamento in laboratorio avviene tramite mutazioni di proteine altamente conservate, ma anche all'interno delle proteine RNAPC, i siti di amminoacidi comunemente mutati negli esperimenti di laboratorio tendeva ad essere più altamente conservato in natura rispetto ad altre posizioni all'interno di queste proteine.
Ulteriori analisi hanno identificato una serie di modelli intriganti. Le posizioni in cui si è verificato l'adattamento negli esperimenti di laboratorio tendevano anche a rientrare all'interno di domini funzionali proteici definiti, a raggrupparsi l'uno vicino all'altro sulla struttura della proteina e ad essere localizzate vicino al sito attivo RNAPC più spesso di altri siti.
Per vedere se dinamiche simili erano in gioco per altre proteine, Cohen e Hershberg hanno esaminato altre 19 proteine contenenti mutazioni adattive associate all'esaurimento delle risorse. Hanno scoperto che, come con le proteine RNAPC, i siti associati all'adattamento negli esperimenti di laboratorio tendevano a essere più altamente conservati tra i batteri.
Ancora più interessante, quando si esaminano le quattro pressioni selettive per le quali c'erano dati sufficienti, questi modelli erano validi per l'esposizione agli antibiotici, i mezzi minimi e l'esaurimento prolungato delle risorse, ma non per la crescita ad alte temperature. Pertanto, gli adattamenti alle alte temperature non mostrano una maggiore conservazione, non sono raggruppati l'uno vicino all'altro o al sito attivo del complesso e non sono arricchiti all'interno di domini funzionali.
Come osserva Hershberg, non è chiaro quanto sia comune questo risultato. "Al momento non possiamo essere certi se gli adattamenti alla maggior parte delle condizioni si comportino come la maggior parte degli adattamenti caratterizzati, con l'alta temperatura che è un valore anomalo, o se ci sono molte condizioni senza dati attualmente disponibili che assomigliano più da vicino a ciò che si vede per l'alta temperatura".
Ciò che è chiaro è che le dinamiche dell'adattamento in laboratorio differiscono notevolmente da quelle dell'adattamento naturale. Questo perché, come spiegano gli autori, "negli esperimenti di laboratorio, i batteri sono generalmente esposti a pressioni selettive relativamente semplici, forti e costanti. Le pressioni selettive affrontate all'interno di ambienti più naturali sono probabilmente molto più complesse, con diversi fattori che esercitano pressioni contraddittorie simultaneamente e/o con pressioni selettive che cambiano nel tempo. Adattamenti del tipo che si verificano così facilmente durante l'evoluzione del laboratorio potrebbero non essere così facilmente consentiti all'interno degli ambienti naturali... Inoltre, se tali adattamenti si verificano in risposta a un insieme specifico di condizioni, può rivelarsi altamente transitorio, diminuendo rapidamente di frequenza una volta che le condizioni cambiano".
Per esplorare ulteriormente queste domande, Hershberg ritiene che sarà "importante cercare di capire cosa fanno questi adattamenti nel contesto in cui sono adattivi e misurare i loro effetti di fitness in varie condizioni... Concentrarsi sugli adattamenti degli enzimi RNAPC potrebbe essere un punto di partenza utile". È importante sottolineare che tali studi potrebbero fornire nuove informazioni sui meccanismi attraverso i quali avviene l'evoluzione, sia in laboratorio che in natura. Secondo Hershberg, "Capire le ragioni di queste differenze può permetterci di imparare importanti lezioni sull'adattamento naturale". + Esplora ulteriormente
