Adattamento dei batteri: uno studio sui genomi ridotti

Le cellule crescono e funzionano in base alle informazioni contenute nei loro genomi, che sono fatti di DNA. I ricercatori stanno cercando di capire quali parti di questo materiale genetico siano assolutamente necessarie per le cellule moderne, specialmente nei batteri. Per farlo, stanno esaminando quanto DNA sia realmente necessario ai batteri per sopravvivere e crescere in condizioni specifiche. Questo processo è conosciuto come riduzione del genoma. Quando i ricercatori riducono la dimensione del genoma, osservano che il tasso di crescita dei batteri, in particolare di un tipo chiamato Escherichia coli (E. Coli), diminuisce. Questo calo avviene a prescindere dal cibo o dalle condizioni di crescita in cui i batteri vengono messi. I batteri con genomi più piccoli tendono a crescere più lentamente o non sono così adattabili come quelli con genomi completi.

Tuttavia, gli scienziati hanno scoperto che se lasciano evolvere i batteri con genomi ridotti nel tempo, spesso riescono a recuperare parte dei loro tassi di crescita. L'idea è che quanto bene cresce un organismo vivente mostra quanto bene riesce ad adattarsi al suo ambiente. Anche se quelli con genomi ridotti non si adattavano così bene come i genomi completi all'inizio, erano comunque in grado di evolversi e adattarsi. Questo processo di adattamento è conosciuto come evoluzione sperimentale e spesso aiuta questi batteri a riprendere i loro tassi di crescita.

#Evoluzione Sperimentale

In esperimenti recenti, gli scienziati hanno preso E. coli con genomi ridotti e li hanno messi a prova per vedere come potevano riacquistare la loro capacità di crescita persa. I ricercatori hanno scoperto che un ceppo di E. coli con un genoma più piccolo cresceva significativamente più lentamente rispetto a quelli con il genoma normale e completo quando messi in una soluzione di crescita minima. Per stimolare la loro crescita, i batteri venivano trasferiti in piccole quantità in nuovi ambienti ripetutamente, il che li manteneva nella loro fase di crescita ottimale. Questo processo ha portato a nove diverse linee evolutive di E. coli, e gli scienziati hanno monitorato la loro crescita nel tempo.

I risultati hanno mostrato che mentre questi batteri evolvano, i loro tassi di crescita aumentavano gradualmente. All'inizio, c'è stata un'rapida miglioramento nella crescita, seguita da un ritmo di cambiamento più lento in seguito. Otto dei nove batteri evoluti crescevano più velocemente dei loro antenati, mentre tutti mostravano un calo nel numero massimo di cellule che potevano supportare contemporaneamente. Rispetto al ceppo di E. coli di dimensioni complete, la crescita più lenta del genoma ridotto è stata notevolmente migliorata attraverso il processo di evoluzione sperimentale, ma questo è avvenuto a scapito delle loro dimensioni complessive della popolazione.

#Cambiamenti nelle Mutazioni e Genoma

I ricercatori hanno quindi esaminato cosa ha causato questi cambiamenti. Hanno esaminato l'intero genoma dei batteri e scoperto un totale di 65 mutazioni distribuite nelle nove linee evolute. Il numero di mutazioni variava ampiamente, da due a tredici per ogni linea, senza che due linee condividessero la stessa mutazione. Una cancellazione comune era collegata a un gene specifico coinvolto nel movimento del materiale genetico all'interno dei batteri. La maggior parte delle mutazioni si è verificata all'interno di geni attivi, con molte che hanno influenzato le loro funzioni.

È interessante notare che, anche se le mutazioni erano presenti, non c'era una relazione stretta tra il numero di mutazioni e quanto il tasso di crescita migliorasse. Ad esempio, una linea con sole due mutazioni mostrava un significativo aumento della crescita rispetto a un'altra con otto mutazioni che aveva solo un leggero miglioramento. Questo suggerisce che alcune mutazioni potrebbero aver avuto un forte impatto sulla crescita, mentre altre no.

I ricercatori hanno anche scoperto che le mutazioni non erano concentrate in nessuna area specifica del genoma. Hanno testato se le mutazioni mostrassero qualche tipo di bias verso certe parti del genoma e non hanno trovato modelli significativi, indicando che le mutazioni si sono verificate in modo casuale nel materiale genetico.

#Cambiamenti nel Trascrittoma e Espressione genica

Oltre a osservare i cambiamenti nel genoma, gli scienziati hanno esaminato come queste mutazioni avessero influenzato i modelli di espressione genica dei batteri. Hanno guardato ai geni che erano attivi e hanno scoperto che, nonostante le diverse mutazioni, i batteri evoluti mostravano schemi simili di espressione genica. Tuttavia, questi schemi erano abbastanza diversi rispetto a quelli dei batteri selvatici originali.

La struttura del genoma batterico sembrava mantenere comunque un modello costante, anche con i significativi cambiamenti nell'espressione dovuti alle mutazioni. L'espressione genica dei batteri seguiva ancora una periodicità prevedibile, il che significa che il timing e i livelli di attività genica erano coerenti in condizioni diverse. Questo suggerisce che i batteri hanno una sorta di resilienza innata che li aiuta a mantenere tassi di crescita stabili.

#Differenze nei Trascrittomi Evoluti

Quando gli scienziati hanno analizzato i geni che erano espressi in modo diverso nei ceppi evoluti, hanno scoperto che il numero di geni espressi in modo differenziale (DEG) variava ampiamente tra le linee evolutive. Alcune linee mostravano un numero ridotto di DEG, mentre altre ne avevano molti. Molti di questi geni espressi in modo differenziale erano unici per ogni linea, e solo un ristretto numero era comune a tutte le linee.

L'analisi delle funzioni geniche ha rivelato che molti dei DEG erano coinvolti nel metabolismo degli aminoacidi, mostrando come percorsi evolutivi diversi portassero a variazioni nell'attività genica. I risultati hanno sottolineato l'idea che non ci fosse un solo modello per l'evoluzione; piuttosto, ogni linea ha seguito un approccio unico per recuperare e adattarsi.

#Recupero e Adattamento

Guardando la risposta complessiva alla riduzione del genoma rispetto ai cambiamenti evolutivi, i ricercatori hanno notato che le strategie di adattamento erano molto diverse. La risposta iniziale ad avere un genoma più piccolo portava a un particolare insieme di cambiamenti nell'espressione genica, mentre i cambiamenti evolutivi producevano un insieme completamente nuovo di risposte geniche. C'era quasi nessun sovrapposizione nelle categorie o nelle funzioni geniche responsabili di queste due diverse situazioni.

Per capire meglio il recupero evolutivo, gli scienziati hanno raggruppato i geni in base alle loro funzioni, rivelando tre categorie principali. Hanno scoperto che determinati moduli genici erano significativamente legati alla crescita, all'accumulo di mutazioni e ai cambiamenti nell'espressione genica. Questo ha posto le basi per identificare geni specifici che potrebbero essere mirati per ulteriori studi sul loro ruolo nel potenziamento della crescita.

#Conclusione

In sintesi, l'E. coli con genomi ridotti ha mostrato inizialmente un calo nella crescita, ma è stato in grado di recuperare i suoi tassi di crescita attraverso l'evoluzione sperimentale. Le mutazioni genetiche che si sono verificate durante questo processo erano varie e casuali, senza mostrare un modello comune tra le linee. Anche se i modelli di espressione genica sono rimasti stabili tra i diversi ceppi evoluti, i geni specifici che hanno subito cambiamenti erano unici per ogni linea. Questo evidenzia la complessità dell'evoluzione, dove più strategie possono portare a un miglioramento dell'adattabilità nei batteri con genomi ridotti.

Lo studio sottolinea che, anche se potrebbe non esserci un'unica via per il recupero, il processo evolutivo può portare a diverse adattamenti che supportano una crescita stabile. Grazie a questa ricerca, gli scienziati hanno acquisito informazioni su come i batteri possono adattarsi ai cambiamenti nel loro assetto genetico, aprendo la strada a ulteriori studi sull'evoluzione e l'adattamento microbico.