La natura è piena di parassiti, organismi che prosperano e proliferano a spese di un'altra specie. Sorprendentemente, questi stessi ruoli in competizione di parassita e ospite possono essere trovati nel mondo molecolare microscopico della cellula. Un nuovo studio di due ricercatori dell'Illinois ha dimostrato che gli elementi dinamici all'interno del genoma umano interagiscono tra loro in un modo che ricorda molto i modelli osservati nelle popolazioni di predatori e prede.

Le scoperte, pubblicato in Lettere di revisione fisica dai fisici Chi Xue e Nigel Goldenfeld, sono un passo importante verso la comprensione dei complessi modi in cui i genomi cambiano nel corso della vita dei singoli organismi, e come si evolvono nel corso delle generazioni.

"Questi sono geni che sono attivi e stanno eseguendo l'editing del genoma in tempo reale nelle cellule viventi, e questo è un inizio per cercare di capirli davvero in modo molto più dettagliato di quanto non sia stato fatto prima, " ha detto Goldenfeld, che guida il tema di ricerca Biocomplessità presso il Carl R. Woese Institute for Universal Biology (IGB). "Questo ci sta aiutando a comprendere l'evoluzione della complessità e l'evoluzione dei genomi".

Lo studio è stato sostenuto dal Center for the Physics of Living Cells, un Physics Frontiers Center in Illinois sostenuto dalla National Science Foundation, e l'Istituto di astrobiologia della NASA per la biologia universale dell'Illinois, che Goldenfeld dirige.

Goldenfeld e Xue hanno intrapreso questo lavoro a causa del loro interesse per i trasposoni, piccole regioni di DNA che possono spostarsi da una parte all'altra del genoma durante la vita di una cellula, una capacità che le è valsa il nome di "geni che saltano". Collettivamente, vari tipi di trasposoni costituiscono quasi la metà del genoma umano. Quando si muovono, possono creare mutazioni o alterare l'attività di un gene funzionale; i trasposoni possono quindi creare nuovi profili genetici in una popolazione su cui la selezione naturale può agire, in modo positivo o negativo.

I ricercatori dell'Illinois volevano saperne di più su come funziona l'evoluzione a questo livello, il livello di interi organismi, osservando l'ecosistema metaforico del genoma umano. In questa visione, la struttura fisica del DNA che compone il genoma agisce come un ambiente, in cui due tipi di trasposoni, elementi nucleari intercalati lunghi (LINEE) ed elementi nucleari intercalati corti (SINE), avere un rapporto competitivo tra loro. Per replicare, I SINE rubano il macchinario molecolare che le LINE usano per copiare se stesse, un po' come un cuculo inganna gli altri uccelli per farle allevare i suoi pulcini mentre abbandona i propri.

Con l'aiuto di Oleg Simakov, un ricercatore presso l'Okinawa Institute of Science and Technology, Xue e Goldenfeld si sono concentrati sulla biologia degli elementi L1 e degli elementi Alu, rispettivamente tipi comuni di LINE e SINE nel genoma umano.

I ricercatori hanno adottato metodi della moderna fisica statistica e hanno modellato matematicamente l'interazione tra gli elementi Alu e L1 come un processo stocastico, un processo creato da interazioni casuali. Questo metodo è stato applicato con successo in ecologia per descrivere le interazioni predatore-preda; Xue e Goldenfeld hanno simulato i movimenti dei trasposoni all'interno del genoma umano con lo stesso metodo matematico. I loro modelli includevano un resoconto dettagliato di come gli elementi Alu rubano il macchinario molecolare che gli elementi L1 usano per copiare se stessi.

I risultati di Xue e Goldenfeld hanno previsto che le popolazioni di elementi LINE e SINE nel genoma dovrebbero oscillare nel modo in cui quelle di, Per esempio, lupi e conigli potrebbero.

"Ci siamo resi conto che l'interazione dei trasposoni in realtà era molto simile all'interazione predatore-preda in ecologia, " ha detto Xue. "Abbiamo avuto l'idea, perché non applichiamo la stessa idea della dinamica predatore-preda. . .ci aspettavamo di vedere le oscillazioni che vediamo nel modello predatore-preda. Quindi abbiamo prima fatto la simulazione e abbiamo visto le oscillazioni che ci aspettavamo, e ci siamo davvero emozionati".

In altre parole, troppi SINES e le LINE iniziano a soffrire, e presto non ce ne sono abbastanza per tutti i SINE da sfruttare. I SINE iniziano a soffrire, e le LINE tornano. Il modello di Xue e Goldenfeld ha fatto la sorprendente previsione che queste oscillazioni si verificano in una scala temporale più lunga della durata della vita umana:onde di elementi Alu ed elementi L1 che si spingono e si tirano l'un l'altro al rallentatore attraverso le generazioni dei genomi umani che le trasportano.

"L'aspetto più illuminante dello studio per me è stato il fatto che potevamo davvero calcolare i tempi, e vedi che è possibile che noi potessimo osservare queste cose, " ha detto Goldenfeld. "Abbiamo una previsione per ciò che accade nelle singole cellule, e potremmo essere in grado di fare effettivamente un esperimento per osservare queste cose, anche se il periodo è più lungo della vita di una singola cellula."

In uno studio correlato, Il laboratorio di Goldenfeld ha collaborato con il laboratorio del collega fisico e membro del tema di ricerca IGB Biocomplexity Thomas Kuhlman per visualizzare i movimenti dei trasposoni all'interno dei genomi delle cellule viventi. Utilizzando questo tipo di tecnologia innovativa, e studiando la storia dell'evoluzione molecolare in altre specie, Goldenfeld e Xue sperano di testare alcune delle previsioni fatte dal loro modello e continuare a ottenere informazioni sul mondo dinamico del genoma.