I ricercatori dell'Università del Colorado Anschutz Medical Campus e dell'University College London hanno sviluppato una nuova teoria dell'evoluzione molecolare, offrendo approfondimenti su come funzionano i geni, come si possono prevedere i tassi di divergenza evolutiva, e come sorgono mutazioni dannose a livello di base.

"Le molecole sono la base di tutta la vita e volevamo scoprire perché le molecole si evolvono in quel modo, ", ha affermato il coautore dello studio David Pollock, dottorato di ricerca, professore di biochimica e genetica molecolare presso la CU School of Medicine.

Pollock e il collega autore Richard Goldstein, dottorato di ricerca, professore di infezioni e immunità presso l'University College di Londra, pubblicato lo studio il 23 ottobre 2017 sulla rivista Natura Ecologia ed Evoluzione .

La loro teoria della meccanica evolutiva trasforma i sistemi molecolari in evoluzione in un quadro in cui possono essere applicati gli strumenti della meccanica statistica, aprendo una nuova finestra su come funziona l'evoluzione delle proteine.

"L'approccio si basa sulla comprensione delle proteine ​​come sistemi integrati, " ha detto Goldstein. "Troppo spesso ignoriamo le interazioni tra le diverse parti di una proteina, ma sappiamo che i cambiamenti in una parte della proteina influenzano i cambiamenti successivi in ​​altre parti. Si scopre che questo è davvero importante per capire perché queste molecole si evolvono nel modo in cui lo fanno".

Le proteine ​​cambiano costantemente man mano che le mutazioni si fissano o si eliminano a seconda della struttura proteica, funzione e stabilità. Ciò dipende dalle interazioni degli amminoacidi in tutta la proteina che causano l'evoluzione in un sito per alterare la possibilità di evoluzione in altri siti.

Gli scienziati hanno scoperto che potevano prevedere i tassi di evoluzione delle proteine ​​in base alle loro proprietà biochimiche.

"Questa è stata una vera sorpresa, " ha detto Pollock. "La nostra teoria spiega gli effetti della genetica della popolazione ben noti come la forza della selezione e la dimensione effettiva della popolazione, ma escono dalle equazioni finali che predicono il tasso di evoluzione molecolare."

Per anni, i ricercatori si sono imbattuti in problemi con i modelli standard di evoluzione molecolare utilizzati nello studio delle relazioni evolutive tra le specie. Ciò ha portato a difficoltà nella ricostruzione di importanti eventi evolutivi negli organismi ancestrali.

È stato scoperto che questi modelli di convergenza molecolare cambiano regolarmente nel tempo evolutivo in modi che indicano vincoli continuamente fluttuanti in diverse parti delle proteine.

"Questo ribalta la solita idea che gli amminoacidi si adatteranno ai requisiti del resto della proteina, " ha detto Goldstein. "Ma non siamo riusciti a spiegare esattamente perché questo è successo, o se ci fosse una regolarità nel processo".

Ma una volta che il sistema è stato inserito in un quadro di meccanica statistica, l'entità del radicamento degli amminoacidi è stata vista come centrale per comprendere i tassi di divergenza evolutiva.

I ricercatori hanno affermato che la forza della selezione nell'evoluzione delle proteine ​​è bilanciata dall'entropia della sequenza del ripiegamento, il numero di sequenze che forniscono una proteina con un determinato grado di stabilità.

"Ci piace pensare agli altri amminoacidi come a un gruppo di bambini che saltano su un materasso in memory foam mentre tu cerchi di camminarci sopra, " disse Pollock. "La maggior parte delle volte i tuoi piedi sono affondati nel materasso e non puoi fare un passo avanti, ma ogni tanto i bambini creeranno un'ammaccatura nel materasso che ti permetterà di fare un passo avanti".