L'impatto della semplificazione del genoma nei batteri

La semplificazione del Genoma è un metodo dove si rimuovono geni superflui dal DNA di un organismo, portando a una struttura genetica più semplice. Questo succede naturalmente in molte piccole creature viventi, specialmente quelle che vivono in ambienti stabili e ricchi. In questi contesti, i geni che aiutano in processi non necessari per la sopravvivenza vengono spesso persi. Tuttavia, non comprendiamo ancora completamente come avvenga questo processo in natura. Gran parte di quello che sappiamo arriva dall'analisi dei genomi di alcuni organismi che vivono all'interno di altre cellule e dal confronto con quelli che vivono liberamente.

Gli scienziati hanno usato due metodi principali per studiare la semplificazione del genoma in laboratorio. Un approccio, chiamato top-down, prevede di partire da un organismo che vive liberamente (non come parassita) e rimuovere gradualmente i geni non essenziali. Questo metodo ha avuto successo in molti batteri e funghi, portando a riduzioni significative del loro materiale genetico. L'altro modo, chiamato bottom-up, consiste nel creare DNA da zero per formare un cromosoma minimo e metterlo in una cellula per creare un nuovo organismo vivente. Con questo metodo, i ricercatori hanno creato ceppi di alcuni batteri con genomi molto piccoli.

Molti credono che i genomi semplificati possano essere utili per la biologia sintetica, che riguarda il design di nuove parti o sistemi biologici. Rimuovendo geni che potrebbero essere dannosi in ambienti specifici, gli scienziati possono modellare gli organismi per ottenere risultati desiderati. Ad esempio, gli scienziati hanno cancellato geni specifici nei batteri per migliorare le loro possibilità di sopravvivenza o per aumentare la produzione di sostanze utili come antibiotici o proteine. Semplificare la struttura di questi organismi può anche rendere più facile prevedere come si comporteranno, specialmente quando si tratta di funzioni sconosciute di certi geni.

Tuttavia, ci possono essere svantaggi nel rimuovere geni. Alcuni geni, anche se non necessari, possono comunque svolgere ruoli importanti nell'aiutare l'organismo a sopravvivere. Perdere questi cosiddetti geni "quasi essenziali" può portare a problemi, come rendere l'organismo meno capace di resistere allo stress o influenzare come i geni vengono espressi in generale. Quando i ricercatori rimuovono grandi sezioni del genoma, rischiano di perdere geni che potrebbero non sembrare importanti quando vengono considerati singolarmente, ma che sono cruciali se visti come parte di una rete più ampia. In alcuni casi, queste cancellazioni possono persino portare alla morte dell'organismo.

Per affrontare la perdita di Fitness che può derivare dalle cancellazioni geniche, gli scienziati hanno usato un metodo chiamato evoluzione in laboratorio per aiutare gli organismi a recuperare la loro forza. Questo significa permettere agli organismi modificati di crescere ed evolversi nel tempo, il che può portare a nuove Mutazioni che compensano i geni persi. Questo approccio ha dimostrato di funzionare bene per cancellazioni di singoli geni, ma non è chiaro se funzionerà quando si rimuovono molti geni contemporaneamente.

#Panoramica dello studio

In questa ricerca, abbiamo esaminato otto ceppi di un batterio chiamato Acinetobacter baylyi che erano stati modificati per avere genomi ridotti. Abbiamo sottoposto questi ceppi a un esperimento evolutivo in due tipi diversi di condizioni di crescita: una complessa (ricca di nutrienti) e una definita (più basica). Ci siamo concentrati su ceppi in cui erano stati rimossi almeno 17 geni non necessari senza pregiudizi sui tipi di geni cancellati. Inizialmente, molti ceppi mostrano difetti di fitness, il che significa che faticavano a sopravvivere rispetto ai loro antenati.

Tuttavia, man mano che l'esperimento procedeva, la maggior parte dei ceppi mostrava un miglioramento in termini di fitness. Abbiamo sequenziato i genomi dei ceppi evoluti per scoprire quali cambiamenti erano avvenuti. Alcune delle mutazioni più comuni apparivano in una rete che regola l'espressione genica. Molte di queste mutazioni sembravano contrastare gli effetti dei geni cancellati, permettendo ai ceppi modificati di adattarsi meglio ai loro ambienti.

#Varianti a genoma ridotto e fitness

Per capire meglio come la rimozione di geni influisce sui batteri, abbiamo creato diversi ceppi di Acinetobacter usando una versione precedente di questo batterio, ADP1-ISx. Abbiamo cercato di semplificare il genoma effettuando più cancellazioni di geni. Siamo stati in grado di creare ceppi che avevano rimosso singole sequenze di geni o più sezioni. Così facendo, abbiamo potuto valutare come le diverse cancellazioni influenzassero la fitness di ciascun ceppo.

Per determinare questi livelli di fitness, abbiamo impostato test di competizione in cui i nostri ceppi modificati erano messi a confronto con il ceppo originale (ADP1-ISx) che aveva un tag di proteina fluorescente verde (GFP). Queste competizioni sono state condotte sia in mezzi complessi che definiti. I risultati hanno mostrato che i ceppi modificati avevano generalmente una fitness ridotta rispetto al ceppo ancestrale, con alcune differenze a seconda del mezzo utilizzato.

In ambienti più ricchi di nutrienti, alcuni ceppi hanno mostrato livelli di fitness significativamente più bassi. I dati hanno rivelato che cancellazioni più grandi portavano tipicamente a difetti di fitness maggiori, confermando l'idea che funzioni cruciali potrebbero essere state perse attraverso il processo di Cancellazione.

#Evoluzione dei ceppi

Per vedere se i ceppi potessero recuperare dopo le cancellazioni di geni, abbiamo permesso loro di evolversi per circa 300 generazioni. Abbiamo ripetuto il processo di trasferimento di piccole quantità di coltura in nuovi mezzi regolarmente. Dopo questo periodo di evoluzione, abbiamo selezionato colonie individuali per ulteriori test.

Abbiamo eseguito altri test di competizione per vedere come i ceppi evoluti si comportassero contro ADP1-ISx-GFP. I risultati hanno indicato che la maggior parte dei ceppi ha guadagnato fitness attraverso l'evoluzione, mostrando un miglioramento generale rispetto ai loro stati iniziali. Tuttavia, alcuni ceppi non hanno recuperato i loro livelli di fitness, suggerendo che alcune cancellazioni geniche potrebbero aver causato danni duraturi che non potevano essere riparati solo attraverso l'evoluzione.

Le mutazioni apparse durante l'evoluzione hanno mostrato una gamma di impatti sulla funzione genica. Alcune hanno coinvolto semplici cambiamenti nella sequenza di DNA, mentre altre hanno portato a cambiamenti che potevano disattivare completamente certi geni. Ad esempio, mutazioni che colpivano un gene chiamato rnd erano comuni tra i ceppi evoluti, specialmente in una delle condizioni di crescita.

#Mutazioni specifiche e loro effetti

Abbiamo esaminato i tipi di mutazioni che sono emerse nei ceppi evoluti per capire meglio i loro ruoli. Il gene mutato più frequentemente era rnd. Questo gene è noto per giocare un ruolo significativo nella capacità dei batteri di gestire l'RNA, la molecola che svolge un ruolo vitale nell'espressione dei geni.

Curiosamente, le mutazioni in rnd erano più frequenti nei ceppi cresciuti in mezzo definito. Al contrario, abbiamo anche notato che mutazioni in altri geni si sono verificate più spesso nei ceppi cresciuti in mezzo complesso. Questo suggerisce come l'ambiente potrebbe influenzare quali mutazioni possono essere benefiche per i batteri.

Inoltre, abbiamo osservato che certe mutazioni erano strettamente legate a geni specifici cancellati. Ad esempio, numerosi ceppi provenienti dallo stesso ceppo ancestrale mostravano mutazioni simili, indicando che potrebbero compensare la perdita funzionale causata dalle cancellazioni.

Oltre a cercare mutazioni in geni specifici, abbiamo anche valutato quanto rapidamente siano avvenuti questi cambiamenti. Abbiamo scoperto che il tasso di mutazioni era abbastanza simile tra i diversi ceppi e ambienti. Tuttavia, abbiamo notato che certi antenati avevano variazioni nei tassi di mutazione, il che potrebbe suggerire che i background genetici influenzano quanto bene un organismo si adatta dopo una riduzione del genoma.

#Analisi dei cambiamenti di fitness

Dopo aver effettuato ulteriori analisi dettagliate, abbiamo scoperto che alcuni ceppi non mostravano guadagni significativi in termini di fitness dopo le cancellazioni. Ad esempio, un ceppo (MGD9) aveva un grande difetto di fitness in un ambiente e non è migliorato dopo l'evoluzione. Al contrario, il ceppo MGD12 ha mostrato una diminuzione di fitness quando rnd è stato cancellato, nonostante fosse stato parte di un percorso evolutivo di successo in precedenza.

Questa inconsistenza ha evidenziato che mentre l'evoluzione in laboratorio era utile per migliorare la fitness, non garantisce che tutti i ceppi trarranno vantaggio allo stesso modo dalle mutazioni. La natura delle cancellazioni e il background genetico sembravano giocare ruoli vitali in come ciascun ceppo si adattasse nel tempo.

#Recupero di fitness e intuizioni genetiche

In generale, l'esperimento di evoluzione ha rivelato che molti ceppi potevano recuperare fitness persa, permettendoci di apprendere di più sugli effetti della cancellazione di geni. Durante il processo, abbiamo visto costantemente alcuni geni mutare, suggerendo che le strategie di recupero della fitness spesso comportano percorsi simili.

Ad esempio, varie mutazioni erano collegate all'RNA piccolo AbsR28 e al gene rpoD, che è importante per regolare come i geni vengono accesi e spenti. È diventato evidente che anche se le mutazioni di background possono differire tra i ceppi, la risposta fondamentalmente alla perdita di geni aveva somiglianze tra molti ceppi.

Abbiamo anche esaminato come le cancellazioni geniche influissero sulla capacità di adattamento dei vari ceppi nel tempo. I dati indicavano che mentre l'evoluzione poteva compensare alcune perdite geniche, c'erano comunque limiti a quanto lontano questo potesse arrivare. Alcuni ceppi hanno perso funzioni essenziali che non potevano essere facilmente sostituite da mutazioni altrove nei loro genomi.

#Conclusione

Questo studio ha messo in evidenza le potenzialità e le sfide della semplificazione del genoma e dell'evoluzione in laboratorio. Sebbene ridurre la complessità genica di Acinetobacter baylyi abbia mostrato percorsi promettenti per il recupero della fitness, ha anche sottolineato le complessità coinvolte nel processo.

Comprendere il ruolo delle mutazioni chiave e come contribuiscano a migliorare la fitness può aiutare negli sforzi futuri nella biologia sintetica. È essenziale riconoscere quali geni svolgono ruoli critici nella sopravvivenza e come rimuoverli possa influenzare la robustezza complessiva dell'organismo. Andando avanti, i ricercatori possono concentrarsi sull'identificazione di mutazioni che offrono benefici di fitness, facendo attenzione ai potenziali svantaggi di estese cancellazioni geniche.

Continuando a indagare su questi temi, gli scienziati possono lavorare per creare microrganismi più efficienti per varie applicazioni, avanzando ulteriormente la nostra comprensione dell'ingegneria genetica e dell'adattabilità microbica.