Sotto la guida del professore di genetica Chris Todd Hittinger dell'UW-Madison e di Antonis Rokas, professore di biologia alla Vanderbilt, i ricercatori hanno mappato i progetti genetici, gli appetiti e gli ambienti di oltre 1.000 specie di lieviti, costruendo un albero genealogico che illustra come questi i funghi unicellulari si sono evoluti negli ultimi 400 milioni di anni.

I risultati, pubblicati sulla rivista Science , suggeriscono che i fattori interni, e non esterni, sono i principali fattori di variazione nei tipi di carbonio che i lieviti possono mangiare, e i ricercatori non hanno trovato prove che la versatilità metabolica, o la capacità di mangiare cibi diversi, comporti alcun compromesso. In altre parole, alcuni lieviti sono tuttofare e maestri in ciascuno.

“Questo ci ha davvero, davvero sorpreso”, dice Hittinger, “Gli specialisti dovrebbero essere più bravi nelle fonti di carbonio per le quali sono specializzati. E i generalisti, se mangiano di tutto, non dovrebbero essere così bravi. E invece, non è quello che vediamo."

L’articolo è il prodotto di un progetto decennale in corso per costruire un database completo che mappi la relazione tra genomi e tratti dei lieviti, un gruppo di specie geneticamente diverse come tutti gli animali. Il set di dati genomici è il più completo mai compilato per un gruppo così antico e diversificato.

Hittinger, un ricercatore del Great Lakes Bioenergy Research Center che studia il metabolismo dei lieviti, afferma che oltre a migliorare la nostra comprensione della biodiversità, il database può aiutare i ricercatori a identificare o creare lieviti che siano più efficaci nel convertire gli zuccheri vegetali in biocarburanti e altre alternative ai combustibili fossili. .

Molti rami, appetiti vari

A partire dal 2015, il team di Hittinger ha sequenziato i genomi e studiato il metabolismo di quasi tutte le specie conosciute di un gruppo di lieviti lontanamente imparentati con Saccharomyces cerevisiae, meglio noto come lievito di birra.

Hanno scelto questo gruppo a causa della vasta gamma di specie identificate e della loro dieta ricca di carbonio altamente variabile.

"Abbiamo molte filiali, alcune vicine tra loro, altre più distanti", afferma Hittinger. "Ci sono tantissime opportunità per esplorare traiettorie evolutive uguali o simili. Possiamo vedere tratti che sono stati acquisiti o persi una dozzina di volte."

Quello che non sapevano è come le specie fossero imparentate.

Dopo aver assemblato i dati, i ricercatori hanno utilizzato strumenti di apprendimento automatico per capire quali geni sono associati a quali tratti, inclusa la gamma di risorse che un organismo può utilizzare o le condizioni che può tollerare, un concetto noto come "ampiezza di nicchia".

Come altri organismi, alcuni lieviti si sono evoluti fino a diventare specialisti (si pensi ai koala, che mangiano solo foglie di eucalipto), mentre altri sono generalisti come i procioni, che mangiano praticamente qualsiasi cosa.

Gli scienziati hanno cercato di spiegare perché esistono sia i generalisti che gli specialisti fin da quando Charles Darwin propose la sua teoria dell'evoluzione nel 1859.

"Queste idee si stavano diffondendo ai tempi di Darwin, e subito dopo, quando le persone iniziarono... a focalizzarsi sull'ecologia come base del funzionamento della selezione naturale", afferma Hittinger.

Gli scienziati hanno offerto due modelli generali per spiegare il fenomeno.

Si suggerisce che i generalisti siano tuttofare ma maestri di nessuno, il che significa che possono tollerare una gamma più ampia di condizioni o fonti di cibo ma non sono dominanti come specialisti in una nicchia specifica.

L'altra teoria è che una combinazione di fattori interni ed esterni guida la variazione di nicchia.

Ad esempio, gli organismi possono acquisire geni che consentono loro di produrre enzimi capaci di scomporre più di una sostanza, ampliando la gamma di alimenti che possono mangiare. Al contrario, la perdita casuale di geni nel tempo può provocare un palato più stretto.

Allo stesso modo, gli ambienti possono esercitare una pressione selettiva sui tratti. Pertanto, un habitat con solo una o due fonti di cibo o temperature costanti favorirebbe gli specialisti, mentre i generalisti potrebbero trovarsi meglio in un ambiente con una gamma più ampia di cibo o condizioni.

Per quanto riguarda il metabolismo del lievito, il team di Hittinger non ha trovato prove di compromessi.

"I generalisti sono migliori in tutte le fonti di carbonio che possono utilizzare", afferma Hittinger. "I generalisti sono anche in grado di utilizzare più fonti di azoto rispetto agli specialisti del carbonio. Non avrei affatto previsto questa relazione."

I dati hanno anche mostrato che i fattori ambientali svolgono solo un ruolo limitato.

Anche questo è stato sorprendente, afferma la coautrice Dana Opulente, che ha iniziato il progetto come ricercatrice post-dottorato presso la UW-Madison e ora è assistente professore di biologia presso l'Università di Villanova.

"Potremmo aspettarci di trovare specialisti soprattutto in varietà domestiche, ma non è così", afferma Opulente. "Possiamo trovare generalisti e specialisti in terra e fiori. Li troviamo tutti negli stessi posti."

Hittinger avverte che ci sono limitazioni a ciò che può essere dedotto dai dati. È possibile che siano presenti dei compromessi nelle specie che non sono state studiate. Inoltre, gli esperimenti di laboratorio utilizzati per misurare la crescita metabolica non possono replicare le condizioni del suolo, della corteccia degli alberi o dell'intestino degli insetti dove vivono i lieviti in natura.

Opulente sta ora lavorando per raccogliere più dati su quegli ambienti naturali, che potrebbero rivelare una maggiore influenza ecologica sull'ampiezza della nicchia.

"Se disponiamo di più dati, potremmo porre molte altre domande", afferma Opulente.

Lo studio inoltre non spiega perché, se non ci sono compromessi, non tutti i lieviti sono generalisti.

Una possibile spiegazione è che i geni spesso scompaiono durante l'evoluzione e, finché non è essenziale per la sopravvivenza, la mutazione può essere trasmessa e prendere il sopravvento su una popolazione. Gli specialisti potrebbero evolversi continuamente da generalisti attraverso questo processo.

"Non sono sicuro che abbiamo ancora risposto a questa domanda", afferma Hittinger.

Ulteriori informazioni: Dana A. Opulente et al, I fattori genomici modellano l'ampiezza della nicchia metabolica del carbonio e dell'azoto nei lieviti Saccharomycotina, Scienza (2024). DOI:10.1126/science.adj4503. www.science.org/doi/10.1126/science.adj4503

Informazioni sul giornale: Scienza

Fornito dall'Università del Wisconsin-Madison