A volte, le scoperte scientifiche più significative si verificano per caso.
Gli scienziati sappiano da tempo che la duplicazione dell’intero genoma (WGD)-il processo attraverso il quale gli organismi copiano tutto il loro materiale genetico-svolge un ruolo importante nell’evoluzione. Ma capire come sorge WGD, persiste e guida l’adattamento è rimasto poco compreso.
In una svolta inaspettata, gli scienziati della Georgia Tech non solo hanno scoperto come si verifica WGD, ma anche come rimane stabile su migliaia di generazioni di evoluzione in laboratorio.
Il nuovo studio è stato condotto da William Ratcliff, professore presso la School of Biological Sciences, e Kai Tong, un ex dottorato di ricerca. Studente nel laboratorio di Ratcliff che ora è un membro post -dottorato alla Boston University.
Il loro documento, “Duplicazione del genoma in un esperimento di evoluzione multicellularità a lungo termine”, è stato pubblicato in Natura come la copertina del diario a marzo.
“Abbiamo deciso di esplorare come gli organismi effettuano la transizione alla multicellularità, ma scoprire il ruolo di WGD in questo processo è stato completamente serendipio”, ha affermato Ratcliff. “Questa ricerca fornisce nuove intuizioni su come la WGD può emergere, persistere per lunghi periodi e del carburante l’innovazione evolutiva. È davvero eccitante.”
Un segreto nascosto nei dati
Nel 2018, il laboratorio di Ratcliff ha lanciato un esperimento per esplorare l’evoluzione multicellulare aperta. L’esperimento evolutivo a lungo termine multicellulare (multis) utilizza lievito “Snowflake” (Saccharomyces cerevisiae) come mezzo, evolvendolo da una singola cellula a organismi multicellulari sempre più complessi. I ricercatori lo fanno selezionando le celle di lievito per dimensioni maggiori su base giornaliera.
“Questi studi di evoluzione a lungo termine ci aiutano a rispondere a grandi domande su come gli organismi si adattano ed evolvono”, ha affermato Tong. “Spesso rivelano l’inaspettato ed espandono la nostra comprensione dei processi evolutivi”.
Questo è esattamente quello che è successo quando Ozan Bozdag, un membro della facoltà di ricerca nel laboratorio di Ratcliff, ha notato qualcosa di insolito nel lievito del fiocco di neve. Bozdag ha osservato il lievito quando era di 1.000 giorni e ha visto le caratteristiche che suggeriscono che poteva essere passata dalla diploidia (con due serie di cromosomi) alla tetraploidia (ne avendo quattro).
Decenni di esperimenti di laboratorio mostrano che la tetraploidia è tipicamente instabile, tornando alla diploidia entro poche centinaia di generazioni. Per questo motivo, Tong era scettico sul fatto che WGD si fosse verificato e persisteva per migliaia di generazioni nel multisiorno. Se vero, sarebbe la prima volta che un WGD si alzava spontaneamente e persisteva in laboratorio.
Dopo aver preso le misurazioni del lievito evoluto, Tong ha scoperto di aver duplicato i loro genomi molto presto – entro i primi 50 giorni dal multisield. Sorprendentemente, questi genomi tetraploidi persistevano per più di 1.000 giorni, continuando a prosperare nonostante la solita instabilità di WGD in condizioni di laboratorio.
Il team ha scoperto che WGD è sorto e si è bloccato perché ha dato al lievito un vantaggio immediato nel crescere cellule più grandi e più lunghe e nella formazione di cluster multicellulari più grandi, che sono favoriti sotto la selezione delle dimensioni nel multee.
Ulteriori esperimenti hanno mostrato che mentre WGD nel lievito del fiocchi di neve è normalmente instabile, è persistito nel multisield perché i cluster più grandi e multicellulari hanno avuto un vantaggio di sopravvivenza. Questa stabilità ha permesso al lievito di sottoporsi a cambiamenti genetici, con aneuploidia (la condizione di avere un numero anormale di cromosomi) svolgendo un ruolo chiave nello sviluppo della multicellularità. Di conseguenza, Multee è diventato l’esperimento di evoluzione della poliploidia più lunga, offrendo nuove intuizioni su come la duplicazione del genoma contribuisce alla complessità biologica.
Una squadra di talento multistrato
Ratcliff ha sottolineato che una rigorosa ricerca universitaria ha svolto un ruolo fondamentale nella loro svolta inaspettata. Quattro studenti universitari sono stati parte integrante del successo dell’esperimento, unendosi alla ricerca all’inizio della loro istruzione presso la Georgia Tech.
“Questo tipo di autentica esperienza di ricerca è un cambiamento di vita e un cambiamento di carriera per i nostri studenti”, ha detto Ratcliff. “Non puoi ottenere questo livello di apprendimento in una classe.”
Vivian Cheng, che si è unito al laboratorio di Ratcliff come primo anno e si è laureato nel 2022, ha affrontato la sfida dei ceppi di diploidi e del lievito di tetraploide geneticamente ingegneristico insieme a un altro studente. Ratcliff e Tong hanno finito per usare questi stessi ceppi di una parte importante della loro analisi.
“Questo lavoro è un altro passo verso la comprensione dei vari fattori che contribuiscono all’evoluzione della multicellularità”, ha affermato Cheng, ora un dottorato di ricerca. candidato all’Università dell’Illinois Urbana-Champaign. “È molto bello vedere come questo singolo fattore di livello di ploidia influisce sulla selezione in queste cellule di lievito.”
Ratcliff nota che alcuni dei risultati più significativi della sua squadra non avrebbero mai potuto essere anticipati quando hanno iniziato Multee. Ma questo è il punto, dice.
“I risultati più di vasta portata di questi esperimenti sono spesso quelli che non miravamo a studiare, ma che emergono inaspettatamente”, ha aggiunto. “Spingono i confini di ciò che pensiamo sia possibile.” Lui e il professor Assistente James Stroud si sono estesi su questo tema in una revisione di esperimenti a lungo termine in biologia evolutiva, pubblicati nello stesso numero di Natura.
Questa scoperta fa luce sulla dinamica evolutiva della duplicazione del genoma intero e offre un’opportunità unica per esplorare le conseguenze di tali eventi genetici. Con il suo potenziale per alimentare le scoperte future nella biologia evolutiva, questo lavoro rappresenta un passo importante per comprendere come la vita si evolve sia su una scala a breve che a lungo termine.
“Il progresso scientifico raramente è un viaggio semplice”, ha detto Tong. “Invece, si svolge lungo vari percorsi interconnessi, spesso unendo in modi sorprendenti. È a questi crocevia che vengono fatte le scoperte più elettrizzanti.”
Da un’altra testata giornalistica. news de www.sciencedaily.com