La cellula eucariotica è emersa come una transizione di fase algoritmica evolutiva

Le proteine ​​e i geni codificanti proteici aumentano di lunghezza

L’articolo in PNA dimostra che le distribuzioni delle lunghezze delle proteine ​​e i loro geni corrispondenti seguono distribuzioni log-normali in tutto l’albero della vita. Per fare ciò, sono stati analizzati 9.913 proteomi diversi e 33.627 genomi. Le distribuzioni log-normali derivano in genere a seguito di processi moltiplicativi. Seguendo il principio del rasoio di Ockham, i ricercatori hanno modellato l’evoluzione delle distribuzioni della lunghezza genica come processi stocastici moltiplicativi. In effetti, hanno modellato l’azione di tutti gli operatori genetici combinati in relazione alla lunghezza della sequenza. A partire da Luca, cioè, l’ipotizzato ultimo antenato comune universale da cui i tre domini della vita – i batteri, l’archaea e l’Eucarya – hanno avuto origine, i ricercatori hanno trovato sia teoricamente che osservazionalmente che le lunghezze medie del gene si sono evolute esponenzialmente nel tempo evolutivo attraverso diverse specie. Inoltre, hanno scoperto un meccanismo invariante di ridimensionamento della crescita genica attraverso l’intero albero della vita, in cui la varianza dipende direttamente dalla lunghezza media della proteina. Rappresentando tutte le specie catturate nei 33.627 genomi, il team è stato in grado di verificare osservazionalmente le previsioni e, inoltre, mostrare che la lunghezza media del gene è un surrogato molto buono per la complessità degli organismi. In un puro esercizio di biologia quantitativa, il dott. Bartolo Luque dell’Università politecnica di Madrid ha aggiunto: “Conoscendo la lunghezza media dei geni codificanti le proteine ​​in una specie, possiamo calcolare l’intera distribuzione della lunghezza del gene all’interno di quella specie”.

Quando rappresentano l’evoluzione delle lunghezze medie delle proteine ​​rispetto alle loro corrispondenti lunghezze geniche tra diverse specie, si osserva che si evolvono simultaneamente nei procarioti, perché non vi sono quasi sequenze non codificanti nei loro geni. Tuttavia, una volta che la lunghezza del gene medio raggiunge 1.500 nucleotidi, le proteine ​​si schiantano dal processo moltiplicativo di crescita genica e la lunghezza media della proteina si stabilizza dopo l’insorgenza della cellula eucariotica a circa 500 aminoacidi in una soglia chiara, segnando l’aspetto della cellula eucariotica. Da quel momento in poi e, a differenza di ciò che accade con le proteine, la lunghezza media del gene continua ad aumentare come nei procarioti, a causa della presenza di sequenze non codificanti.

Transizione di fase algoritmica

Un’analisi dei fenomeni critici ha quindi concluso che una transizione di fase, ben studiata nella fisica dei materiali magnetici, si è verificata a una lunghezza del gene critico di 1.500 nucleotidi. Questo marcato eucaryogenesi e divide l’evoluzione della vita in due fasi distinte: una fase di codifica (prokarya) e una fase non codificante (Eucarya). Inoltre, si osservano fenomeni caratteristici di queste transizioni, come il rallentamento critico, in cui le dinamiche del sistema vengono intrappolate in molti stati metastabili attorno al punto critico. “Ciò è corroborato nei primi protisti e funghi”, ha dichiarato il dott. Fernando Ballesteros dell’Università di Valencia.

Inoltre, “la transizione di fase è stata algoritmica”, ha aggiunto il professor Jordi Bascompte dell’Università di Zurigo. Nella fase di codifica, in uno scenario vicino a Luca, con proteine ​​brevi, aumentando la lunghezza delle proteine ​​e i loro geni corrispondenti era computazionalmente semplice. Tuttavia, man mano che le lunghezze delle proteine ​​crescevano, la ricerca di proteine ​​più lunghe divenne impossibile. Questa tensione causata da geni che è cresciuta allo stesso ritmo di prima che le proteine ​​non potessero risolvere continuamente ma bruscamente con l’incorporazione di sequenze non codificanti nei geni. Con questa innovazione, l’algoritmo per la ricerca di nuove proteine ​​ha rapidamente ridotto la sua complessità computazionale, diventando non lineare attraverso lo spliceosoma e il nucleo, che ha separato la trascrizione e la giunzione dalla traduzione. Ciò è accaduto nel punto critico della transizione di fase, che questo studio risale a 2,6 miliardi di anni fa.

Lo studio recentemente pubblicato in PNA Non solo risponde a domande essenziali, ma è interdisciplinare, combinando biologia computazionale, biologia evolutiva e fisica. “Ha il potenziale per interessare un vasto pubblico in molte discipline e fungere da base per altri gruppi per esplorare diversi percorsi di ricerca, come l’energia o la teoria dell’informazione”, ha sottolineato il dott. Enrique Muro dell’Istituto di evoluzione organistica e molecolare presso la Mainz University. La cellula eucariotica, l’aumento più significativo della complessità nella storia dell’evoluzione della vita sulla Terra, è emersa come una transizione di fase e ha sbloccato il percorso verso altre principali transizioni – come la multicellularità, la sessualità e la socievolezza – che ha modellato la vita sul nostro pianeta come la conosciamo oggi.