Dagli alberi genealogici alle reti "scale-free": una nuova visione dell'evoluzione batterica
Ricercatori dell'Istituto europeo di bioinformatica (EBI) hanno scoperto un nuovo modello delle relazioni genetiche microbiche, che cambia il punto di vista convenzionale su quattro milioni di anni di evoluzione batterica. Il gruppo dell'EBI, guidato da Christos Ouzounis, ha riscontrato tracce sul modo in cui famiglie di geni vengono passate, non solo "in senso verticale" da un organismo alla propria progenie, ma anche "in senso orizzontale" attraverso lo scambio di materiale genetico fra organismi imparentati alla lontana. Questo nuovo punto di vista sull'albero genealogico potrebbe aiutare i ricercatori a comprendere meglio il motivo per cui le affezioni batteriche siano così difficili da combattere - i batteri continuano a produrre ceppi resistenti agli antibiotici, superando costantemente in velocità lo sviluppo di medicinali. Dai tempi di Darwin le relazioni evolutive fra organismi sono rappresentate convenzionalmente sotto forma di un albero, in cui gli antenati comuni si trovano alla base del tronco mentre le specie evolutesi più recentemente sono alle estremità delle ramificazioni. Da tempo i microbiologi hanno messo in discussione l'utilità di rappresentare in questo modo i microbi, dal momento che questi organismi scambiano spesso materiale genetico fra specie diverse. Secondo gli esperti, una rete rappresenterebbe meglio il modello di evoluzione microbica proposto. Il problema è che finora nessuno sapeva esattamente dove tracciare le linee orizzontali in questa rete. Victor Kunin, un ex dottorando del gruppo del dottor Ouzounis, è riuscito con altri colleghi a costruire una mappa dell'evoluzione microbica, che risale nel tempo per miliardi di anni, fino all'ultimo antenato comune universale, e che per la prima volta comprende linee orizzontali. "Per fortuna, alberi evolutivi costruiti secondo metodi assai diversi e da vari gruppi di ricercatori evidenziano una notevole coerenza tra loro, e formano un unico quadro. Ci siamo serviti di questi alberi come base della rete, su cui siamo andati in cerca delle prove del trasferimento genico orizzontale", spiega il ricercatore. Il metodo impiegato per indagare in quale modo avvenga il trasferimento genico orizzontale, denominato "GeneTrace", era stato sviluppato precedentemente dal gruppo del dottor Ouzounis. GeneTrace risale al trasferimento orizzontale a partire dalla presenza frammentaria di una famiglia di geni in organismi imparentati alla lontana. I dati generati da GeneTrace hanno permesso di individuare alcuni rampicanti che rappresentano casi di trasferimento genico orizzontale, e collegano punti nei rami dell'albero evolutivo. In totale, si osservano oltre 600.000 trasferimenti verticali, insieme a 90.000 casi di perdita di geni e circa 40.000 trasferimenti orizzontali di geni. E benché si possa spiegare la distribuzione della maggior parte delle famiglie di geni attualmente presenti con la teoria dell'evoluzione classica per discendenza, si possono tuttavia evidenziare le anomalie di tale modello con il "rapporto di minoranza" dello scambio orizzontale. Per comprendere l'influenza del trasferimento genico orizzontale sull'albero genealogico microbico, il gruppo ha studiato in particolare l'intreccio dei rampicanti attraverso le ramificazioni dell'albero. Questa rete sembra comportarsi in modo "scale-free", secondo il termine coniato dal fisico Albert-László Barabási e dai suoi colleghi dell'Università di Notre Dame, Indiana, negli Stati Uniti. Nel 1998, dopo aver costruito una mappa delle connessioni della rete Internet, scoprirono inaspettatamente che la rete non aveva una distribuzione uniforme delle connessioni (la cosiddetta "connettività casuale"), ma al contrario che un numero molto limitato di nodi (chiamati "hub") aveva molte più connessioni di altri nodi. Una proprietà di queste reti a struttura "scale-free" è la loro natura "di piccolo mondo": spostarsi da un nodo a un altro è molto rapido. Altri esempi di nodi di reti ristrette comprendono le reti sociali e i collegamenti dei voli aerei. Queste caratteristiche permettono al nodo di smistamento di fungere da "banca genetica", che offre un mezzo per acquisire e ridistribuire geni nelle comunità microbiche. Secondo Christos Ouzounis, questo modello ha implicazioni importanti per comprendere il trasferimento genico orizzontale poiché, in reti ristrette, il passaggio fra due nodi qualsiasi della rete è relativamente breve. In altre parole, "un gene può essere rapidamente diffuso da un organismo a un altro tramite un numero limitato di casi di trasferimento genico orizzontale", spiega lo scienziato. Alcune specie, fra cui i benefici batteri del suolo fissatori dell'azoto naturale, sembrano essere dei "campioni" di trasferimento genico orizzontale. "È senza dubbio possibile che organismi apparentemente innocui diffondano a nostra insaputa la resistenza agli antibiotici", conclude Christos Ouzounis.
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Germania