Ciò che distingue fondamentalmente un essere umano da ogni altra creatura vivente si riduce alle differenze nelle sequenze del DNA, un insieme di molecole ereditate geneticamente che si trovano in ogni cellula di ogni organismo. Queste differenze si sono accumulate nel corso di milioni di anni, principalmente tramite mutazioni casuali, fondamentalmente errori nel modo in cui il DNA è stato copiato. La maggior parte di queste mutazioni ha un impatto negativo sull’organismo e probabilmente lo porterà a morire prima che abbia la possibilità di riprodursi. Tuttavia, alcuni avranno un impatto positivo o neutrale sull’organismo e si diffonderanno nella popolazione. Questi errori nelle sequenze del DNA hanno portato alla diversità della vita che vediamo oggi in tutto il mondo. Ma molti aspetti di come queste mutazioni possono aumentare la forma fisica rimangono poco conosciuti.
“Siamo riusciti a mostrare sperimentalmente, per la prima volta, un concetto sulla mutazione e l’evoluzione che in precedenza era stato previsto solo teoricamente”, ha affermato il prof. e Technology Graduate University (OIST). “Si chiama rete neutrale e si pensa che sia vitale per aumentare la diversità in una popolazione”. Questa ricerca è stata pubblicata in Comunicazioni sulla natura.
I geni, costituiti da coppie di basi del DNA, contengono le istruzioni necessarie per creare le proteine e portano alla corretta cura e manutenzione di una cellula. Affinché le istruzioni vengano eseguite, il DNA deve prima essere trascritto in RNA. Pertanto, l’RNA è come un riflesso del DNA.
Esistono quattro paia di basi standard per RNA e DNA. Per l’RNA, questi sono “A”, “G”, “C” e “U”. Il prof. Yokobayashi ha spiegato il concetto di rete neutra fornendo un esempio di sequenza semplificata di basi di RNA.
“Diciamo, la sequenza di RNA AAAAAAA muta in AAAUAAA, che poi muta in GAAUAAAA. La prima variante è collegata alla seconda, che è collegata alla terza da una sola singola mutazione. Se queste mutazioni mantengono la stessa fitness, l’organismo potrebbe sopravvivere e la mutazione potrebbe essere ereditata dalle generazioni future. Ciò aumenta la diversità complessiva e la diversità è essenziale affinché una specie si adatti ai cambiamenti nell’ambiente.
Una rete neutra è un’intera serie di sequenze di basi proprio come questa (anche se molto più lunghe), in cui ogni nuova sequenza, che differisce solo per una base, ha all’incirca la stessa forma fisica di quella precedente e successiva. Gli scienziati sospettano da tempo la loro esistenza, ma sono molto difficili da provare sperimentalmente. Originariamente si prevedeva che tutti gli spazi di sequenza dell’RNA dovessero avere la possibilità di ospitare una grande rete neutra, ma nessuno ha mai trovato nella pratica queste reti neutre su larga scala.
In questo studio, i ricercatori hanno esaminato un tipo di RNA chiamato ribozima ligasi, che era stato precedentemente sintetizzato ma non era noto per costituire una rete neutra. Hanno scelto questo ribozima poiché la sua funzione è quella di collegare o legare insieme due pezzi di RNA. Questo ruolo ha implicazioni importanti per l’origine della vita in quanto è vitale per l’autoreplicazione.
L’intero ribozima ha circa 80 paia di basi, ma i ricercatori si sono concentrati su un’area di 35 paia di basi che è importante per la funzione del ribozima e quindi per misurare la sua forma fisica complessiva.
Attraverso la progettazione della sequenza computazionale aiutata da un algoritmo evolutivo e dall’apprendimento approfondito, gli scienziati hanno progettato molti mutanti di questo ribozima e ne hanno determinato sperimentalmente l’idoneità. Hanno finito per testare più di 120.000 varianti e sono stati in grado di aumentare la frazione di varianti neutre nella popolazione progettata da circa il 10% a quasi il 90%.
Hanno quindi scelto una delle varianti che avevano identificato. Questo differiva dal ribozima originale per 16 mutazioni. Hanno vagliato tutti i diversi percorsi che avrebbero potuto essere presi per passare dal ribozima originale alla nuova variante, una mutazione alla volta per 16 passaggi, e hanno trovato 65.536 diverse varianti di cui il 60% era funzionale.
I ricercatori hanno quindi esaminato i percorsi che contenevano solo mutazioni funzionali e hanno scoperto che il 10% dei percorsi era accessibile.
“Questo è piuttosto alto”, ha detto il dottorando e primo autore, Rachapun Rotrattanadumrong. “Altri lavori sperimentali non hanno mai trovato un numero così elevato di percorsi accessibili tra due varianti”.
I ricercatori hanno sottolineato che questa prova sperimentale di una rete neutra ha dimostrato che è possibile che reti neutre si formino in uno spazio di sequenza di RNA, anche se non in modo così esteso come vorrebbe far credere il lavoro teorico. Un’altra domanda interessante potrebbe riguardare l’analisi delle proprietà necessarie per la formazione di questo tipo di rete.
“Questo lavoro consentirà alle persone di testare sperimentalmente molte ipotesi”, ha continuato Rotrattanadumrong. “Abbiamo fornito il primo set di dati sperimentali di una rete neutra. Permetterà ai ricercatori di rispondere a domande su come l’RNA si è evoluto e continua ad evolversi”.
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