I batteri in evoluzione possono eludere le barriere verso il "picco" della forma fisica | Rivista Quanti

Quasi un secolo fa, il teorico evoluzionista Sewall Wright immaginò un paesaggio di montagne e valli. I picchi rappresentavano stati di elevata idoneità evolutiva per gli organismi, mentre le depressioni tra di loro rappresentavano stati di bassa idoneità. Gli organismi potrebbero muoversi attraverso il paesaggio attraverso un processo di mutazione, scalando le vette mentre i loro geni mutevoli li aiutavano a raggiungere una maggiore forma fisica.

Wright, uno dei fondatori della moderna genetica delle popolazioni, era affascinato da un apparente paradosso: se una popolazione di organismi fosse riuscita a raggiungere la cima di una piccola collina, sarebbe rimasta abbandonata lì, circondata da stati peggiori. Non potevano raggiungere picchi più alti senza prima attraversare la depressione sottostante, cosa che la selezione naturale normalmente non consentirebbe.

Nel corso degli ultimi cento anni, i biologi evoluzionisti hanno utilizzato modelli matematici e, sempre più spesso, esperimenti di laboratorio con organismi viventi per esplorare come popolazioni di tutte le dimensioni possano muoversi attraverso paesaggi di fitness (a volte chiamati paesaggi adattivi). Ora in uno studio appena pubblicato in Scienze, i ricercatori hanno progettato più di un quarto di milione di versioni di un comune batterio e hanno tracciato le prestazioni di ciascun ceppo per creare uno dei più grandi paesaggi adattivi mai costruiti in laboratorio. Ciò ha permesso loro di chiedersi: quanto è difficile arrivare da un dato punto alle vette?

Sorprendentemente, l’aspro panorama del fitness era attraversabile per la maggior parte dei batteri: circa tre quarti dei ceppi avevano un percorso evolutivo fattibile verso la resistenza agli antibiotici. I risultati supportano l’idea, indicata da precedenti lavori teorici, che i “valli” nel fitness possono essere evitati più facilmente di quanto si possa pensare. Aprono anche la porta a una migliore comprensione di come le popolazioni reali – di batteri ma forse anche di altri organismi – potrebbero cambiare sotto la pressione della selezione naturale.

Per molti decenni, l’esplorazione dei paesaggi del fitness è stata principalmente riservata ai teorici che lavoravano con organismi simulati o agli sperimentali pionieristici che lavoravano su scala relativamente piccola. Ma con l’avvento di una tecnologia di editing genetico semplice ed economica, il team dietro il nuovo articolo si è chiesto se fosse possibile costruire un paesaggio adattivo molto ampio utilizzando organismi viventi, ha affermato Andrea Wagner, professore di biologia dell'Università di Zurigo e autore del nuovo articolo.

Hanno deciso di tracciare gli effetti sulla fitness di un singolo gene nel batterio Escherichia coli. La diidrofolato reduttasi, l’enzima codificato da questo gene, è un bersaglio dell’antibiotico trimetoprim e le mutazioni nel gene possono rendere il batterio resistente al farmaco. Wagner e i suoi colleghi, incluso l'autore principale Andrej Papkou, un postdoc presso l'Università di Zurigo, ha creato più di 260,000 ceppi geneticamente distinti di E. coli, ognuno dei quali utilizzava una diversa permutazione di nove amminoacidi nel nucleo funzionale della sua versione dell'enzima.

Hanno coltivato i ceppi in presenza di trimetoprim e hanno tenuto traccia di quelli che hanno prosperato. Il grafico dei dati ha rivelato un paesaggio con centinaia di picchi di varie altezze, che rappresentano la capacità di ciascuna variante genetica (genotipi) di consentire ai batteri di eludere il farmaco.

Poi i ricercatori hanno esaminato quanto sarebbe stato difficile per i diversi ceppi evolversi per raggiungere uno dei picchi più alti. Per ciascun genotipo, hanno calcolato quale serie di mutazioni sarebbero necessarie per trasformarlo in uno dei ceppi altamente resistenti.

Come Wright aveva previsto decenni fa, alcuni percorsi terminavano in cima a picchi bassi che non lasciavano alcuna possibilità di ulteriore miglioramento. Ma molti dei percorsi – percorsi attraverso i quali, una mutazione alla volta, gli organismi potrebbero cambiare i loro genotipi – hanno raggiunto livelli piuttosto elevati.

"Abbiamo buone statistiche sulla frequenza con cui rimangono bloccati sui picchi bassi", ha detto Wagner. “E non è affatto frequente. … Il XNUMX% delle nostre popolazioni raggiunge resistenze agli antibiotici clinicamente rilevanti”.

Questo coincide con cosa Sam Scarpino, un biologo e modellatore di malattie che è il direttore di AI + Life Sciences presso la Northeastern University, ha detto che si aspetterebbe. "Hanno questo risultato molto bello che avevamo previsto", ha detto, indicando un recente articolo teorico esplorando la relazione tra robustezza e navigabilità dei paesaggi del fitness. Quando i paesaggi del fitness sono multidimensionali – quando vanno oltre le semplici tre dimensioni immaginate dalla maggior parte delle persone per raggiungere, ad esempio, le nove dimensioni utilizzate nello studio di Wagner – è più probabile che reti molto diverse di geni regolatori che producono gli stessi tratti fisici siano vicine. insieme su un paesaggio o essere collegati da un percorso accessibile.

Ad esempio, Wagner e Papkou hanno scoperto che i picchi più alti di resistenza agli antibiotici nel loro panorama sperimentale erano spesso circondati dall’equivalente novedimensionale di pendenze molto ampie; in effetti, avevano la forma più simile al Monte Fuji che al Cervino. Di conseguenza, molti genotipi sono nati da qualche parte sulle pendici dei picchi di fitness più alti, il che ha reso più facile per quelle varietà raggiungere la vetta.

Non era un dato di fatto che i picchi più alti attirassero la stragrande maggioranza dei genotipi, ha osservato James O'Dwyer, un ecologista teorico dell'Università dell'Illinois, Urbana-Champaign. Ma in questo panorama sembra che sia stato così.

Ecco perché costruire paesaggi del fitness come hanno fatto Wagner, Papkou e i loro colleghi – enormi e basati su organismi reali – è un passo importante per colmare il divario tra ciò che potremmo supporre essere vero e ciò che realmente esiste in natura, in sistemi molto più complessi di quanto non lo siano. possiamo facilmente immaginare, ha detto Ben Kerr, professore di biologia all'Università di Washington. "Come mappiamo le nostre intuizioni... su situazioni che non fanno parte della nostra esperienza?" Egli ha detto. “Bisogna riqualificare la propria intuizione. Un buon punto di partenza è farlo su dati empirici”.

Per quanto vasto sia il panorama del fitness nel nuovo articolo di Wagner, mostra solo ciò di cui sono capaci i batteri in un singolo ambiente specifico. Se i ricercatori cambiassero qualche dato – se cambiassero la dose dell’antibiotico o aumentassero la temperatura, per esempio – otterrebbero un panorama diverso. Quindi, anche se i risultati sembrano suggerire che la maggior parte E. coli I ceppi possono sviluppare resistenza agli antibiotici, tale risultato potrebbe essere molto meno probabile o molto più probabile nel mondo reale. Tutto ciò che sembra certo è che la maggior parte dei ceppi probabilmente non viene irrevocabilmente sabotata dai propri piccoli successi.

I prossimi passi interessanti di questa ricerca potrebbero quindi comportare l’esplorazione se qualcuna delle regole che sembravano prevalere nella versione del paesaggio dell’esperimento potrebbe essere più ampiamente universale. "Se lo fossero, ci sarebbe qualche ragione profonda alla base di ciò", ha detto O'Dwyer.

Wagner e Papkou sperano di esplorare altre versioni del paesaggio nei lavori futuri. Papkou osserva che non è possibile mappare ogni permutazione anche di un singolo gene in modo completo: il panorama esploderebbe fino a raggiungere dimensioni astronomiche quasi immediatamente. Ma con paesaggi costruiti in laboratorio e modelli teorici, dovrebbe essere ancora possibile oggi iniziare a esplorare se i principi universali sono alla base del modo in cui un’entità in evoluzione può cambiare in risposta al suo ambiente.

"La conclusione è: è abbastanza facile per l'evoluzione darwiniana iniziare in una posizione non ottimale e spostarsi, con la forza della selezione naturale, verso un picco di fitness elevato", ha affermato Papkou. "È stato piuttosto sorprendente."

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