Una “macchina del tempo” molecolare per una maggiore comprensione dell’evoluzione biologica

Una nuova ricerca ha permesso di ricostruire, grazie alla potenza di calcolo di un cluster di computer, la storia evolutiva di 139 proteine per identificare quelle che circa 800 milioni di anni fa subirono una mutazione tale da modificare la struttura di una “macchina molecolare” essenziale per mantenere la corretta acidità all’interno della cellula. I risultati, sorprendentemente, non mostrano la comparsa di nuove funzionalità ma la perdita di quelle vecchie.

Molti dei processi che hanno luogo nelle cellule viventi vengono svolti da macchine molecolari, strutture complesse costituite da proteine specializzate, la cui comparsa nella storia evolutiva della vita è rimasta finora avvolta nel mistero. Un primo passo verso una migliore comprensione della loro origine è stato compiuto ora grazie a uno studio pubblicato online su “Nature” a firma di un gruppo di studiosi dell’Università di Chicago e dell’Università dell’Oregon, che dimostra in che modo alcune piccole ma altamente probabili mutazioni incrementarono la complessità di una macchina molecolare più di 800 milioni di anni fa.

Utilizzando antichi geni e testandone le funzioni in organismi moderni, i ricercatori hanno mostrato come una nuova componente sia stata integrata nella macchina molecolare portando non all’improvvisa comparsa di nuove funzionalità ma, al contrario, alla perdita di vecchie.
“La nostra strategia consisteva nell’utilizzare una sorta di ‘macchina del tempo’ molecolare per ricostruire e caratterizzare sperimentalmente tutte le proteine nella macchina molecolare appena prima e appena dopo il suo incremento di complessità”, ha spiegato Joe Thornton, professore di genetica umana, evoluzione ed ecologia dell’Università di Chicago e autore senior dello studio. “Ricostruendo le componenti della macchina così come si presentavano in un antico passato, siamo riusciti a stabilire in che modo ogni specifica funzione cambiò nel tempo e a identificare le specifiche mutazioni genetiche che portarono a una macchina molecolare più elaborata”.

Lo studio, nello specifico, si è focalizzato su un complesso molecolare denominato pompa protonica della V-ATPasi, che consente di mantenere la corretta acidità all’interno della cellula. Una delle componenti della pompa è una molecola ad anello che trasporta ioni idrogeno attraverso le membrane e che, nella maggior parte delle specie, è costituita da un totale di sei copie di due differenti proteine. Nei funghi, invece, il complesso comprende un terzo tipo di proteina.

Per comprendere in che modo è aumentata la complessità dell’anello, Thornton e colleghi hanno recuperato le versioni ancestrali delle proteine ad anello appena prima e appena dopo che la terza subunità venisse integrata. Per fare ciò, i ricercatori hanno utilizzato enormi cluster di computer per analizzare le sequenze geniche di 139 proteine ad anello moderne, tracciandone l’evoluzione a ritroso per identificare quelle che con più probabilità sono ancestrali. Hanno poi utilizzato metodi biochimici per sintetizzare questi antichi geni e per permetterne l’espressione in moderne cellule di lievito.

Mediante un’attenta ingegnerizzazione delle proteine così codificate, legate le une alle altre in specifiche orientazioni, il gruppo ha mostrato che quelle successive alla mutazione persero la capacità di interagire con alcune delle altre proteine dell’anello. In particolare, mentre le progenitrici avrebbero potuto occupare cinque delle sei possibili posizioni nell’anello, per le “figlie” tali siti sono in qualche modo obbligati. In sostanza, per ottenere lo stesso tipo di funzionalità devono essere presenti entrambe le proteine figlie.