Identificata la chiave metabolica nell’Escherichia coli
L’evoluzione è un processo molto complesso che si svolge nell’arco di lunghi periodi di tempo, in cui i geni e l’ambiente “interagiscono” producendo i tratti fenotipici responsabili dei comportamenti e dei modi di essere delle specie e degli individui. Un nuovo studio condotto sull’Escherichia coli ha svelato i caratteri responsabili di una rara innovazione metabolica che permette al batterio di metabolizzare il citrato (Cit+) durante la nutrizione.
Grazie ad un metodo conosciuto come Recursive Genomewide Recombination and Sequencing (REGRES), gli scienziati dell’Università del Texas hanno isolato la mutazione genetica responsabile del tratto emergente; hanno così confermato l’idea secondo cui le correlazioni tra sequenze di mutazioni e variazioni ambientali sono determinanti nel successo finale del tratto emergente. Il paper, appena pubblicato nella rivista Proceedings of the National Academy of Sciences, ci consente di capire meglio cos’è il REGRES e come si ottiene un E. coli ingegnerizzato.
Schema che riassume l’esperimento sull’E. coli. (Copyright © PNAS, doi:10.1073/pnas.1314561111).
“REGRES è una combinazione di metodi già noti da tempo”, spiega il Dr. Jeffrey E. Barrick, primo autore della ricerca. In REGRES gioca un ruolo importante la coniugazione, quella procedura mediante la quale è possibile scambiare geni o mutazioni sostituendo porzioni del cromosoma dei batteri interessati. Rispetto a questi metodi REGRES è abbastanza innovativo: non solo rende possibile operare questa sostituzione in modo seriale, ma l’esecuzione di questo trasferimento avviene in un vuoto del genoma ancestrale preventivamente isolato (in questo caso gli scienziati hanno lavorato su un campione di circa 31.500 generazioni di E. coli). Insieme al sequenziamento del DNA, questa procedura di backcrossing ha permesso di rimuovere tutte le mutazioni che non erano necessarie per sopravvivere ai parametri di crescita stabiliti, in cui il citrato veniva utilizzato come nutriente.
Al di là dei tecnicismi, gli scienziati sono riusciti a fare una cosa di questo tipo: sequenziando il DNA hanno identificato la mutazione che converte una forma rudimentale di innovazione in un tratto “raffinato” che conferisce un vantaggio competitivo determinante per la sopravvivenza dell’organismo. Successivamente, grazie al backcrossing, hanno potuto isolare la base genetica di questo tratto. “Siamo stati molto sorpresi dei risultati ottenuti. Dopo aver iniziato con una collezione di oltre 70 mutazioni nel ceppo evoluto Cit+, la maggior parte dei quali erano collegati al miglioramento della crescita sul glucosio usato come fonte di carbonio, siamo riusciti a trovare solo due mutazioni che conferivano la possibilità di sfruttare il citrato come fonte di nutrimento”, ha spiegato Barrick. “I risultati implicano che, contrariamente alle nostre previsioni, queste prime mutazioni di ‘potenziamento’ non erano assolutamente necessarie per esprimere il tratto Cit+“.
Solo quando queste prime mutazioni di “potenziamento” si sono imposte nei lignaggi di E. coli e hanno innescato due successive mutazioni – una che riguarda il gene DctA responsabile del trasporto delle proteine, e l’altra che riguarda il gene CitT – allora il ceppo di organismi è stato in grado di modificare il proprio comportamento alimentare. Non appena i ricercatori si sono resi conto che in tutti i genomi di organismi in grado di nutrirsi di citrati comparivano queste due mutazioni hanno potuto “aggiungerle” direttamente al ceppo ancestrale, bypassando tutte le mutazioni intermedie non necessarie. Ora non resta che mappare con precisione le mutazioni di “potenziamento” – sono più di 70 quelle che fanno capo al ceppo Cit+ – e capire in che modo sono sopravvissute nei lignaggi.
Questa innovazione comporta un enorme vantaggio evolutivo in quanto le altre famiglie di E. coli sono rimaste a competere per una fonte di nutrimento meno differenziata – il glucosio. Insomma, la raffinatezza di un tratto fenotipico emergente da una forma rudimentale può essere cruciale per il successo evolutivo della specie: infatti, è ormai confermato che anche quelle mutazioni ancestrali ma complementari che, nell’immediato, non hanno prodotto effetti evidenti possono essere la base per innovazioni evolutive future.
Papers di riferimento:
Recursive genomewide recombination and sequencing reveals a key refinement step in the evolution of a metabolic innovation in Escherichia coli, Proceeding of the National Academy of Sciences, 2013, doi:10.1073/pnas.1314561111
Genomic analysis of a key innovation in an experimental Escherichia coli population, Nature 489(7417):513–518 (2012), doi:10.1038/nature11514
Historical contingency and the evolution of a key innovation in an experimental population of Escherichia coli, Proceeding of the National Academy of Sciences, 105(23):7899–7906 (2008), doi:10.1073/pnas.0803151105
