Un esperimento ripetuto 600 volte trova indizi sui segreti dell’evoluzione

In un laboratorio di Atlanta, migliaia di cellule di lievito lottano per sopravvivere ogni giorno. Gli organismi che vivono un altro giorno crescono più velocemente, si riproducono più velocemente e formano i più grandi agglomerati. Per circa un decennio, le cellule si sono evolute per attaccarsi l’una all’altra, formando forme di fiocchi di neve ramificati.

Questi strani fiocchi di neve sono al centro di esperimenti che esplorano ciò che sarebbe potuto accadere milioni di anni fa quando gli organismi unicellulari si unirono per diventare multicellulari. Questo processo, tuttavia, alla fine ha portato a creature incredibilmente poco pratiche e bizzarre come polpi, struzzi, criceti e umani.

Sebbene si ritenga che la multicellularità si sia evoluta almeno 20 volte nella storia della vita sulla Terra, non è chiaro come gli organismi siano passati da una singola cellula a molti organismi che condividono un destino. Ma in Un documento di ricerca pubblicato mercoledì sulla rivista NatureI ricercatori rivelano un indizio su come le cellule iniziano a costruirsi nel corpo. Il team che ha prodotto il lievito Snowflake ha scoperto che in oltre 3.000 generazioni, i grumi di lievito erano diventati così grandi da poter essere visti ad occhio nudo. Lungo la strada, si è evoluto da un materiale morbido e soffice a qualcosa con la durezza del legno.

Will Ratcliffe, professore alla Georgia Tech, ha iniziato a sperimentare con il lievito quando frequentava la scuola di specializzazione. È stato ispirato da Richard Lenski, un biologo della Michigan State University, e colleghi che hanno coltivato 12 fiale di E. coli attraverso più di 75.000 generazioni e documentato dal 1988 come le popolazioni sono cambiate. Il dottor Ratcliffe si è chiesto se lo studio dell’evoluzione che incoraggia le cellule a restare unite potrebbe far luce sulle origini della multicellularità.

“Tutti i lignaggi che conosciamo che hanno evoluto la multicellularità”, ha detto, “hanno fatto questo passo centinaia di milioni di anni fa”. “E non abbiamo molte informazioni su come le singole cellule formano i cluster”.

Così ha fatto un semplice esperimento. Ogni giorno, ruotava le cellule di lievito in una provetta, aspirando quelle che affondavano più velocemente, e poi le usava per far crescere la popolazione di lievito il giorno successivo. Ha ragionato che se selezionasse per gli individui oi gruppi di cellule più pesanti, ci sarebbe un incentivo per il lievito a sviluppare un modo per restare uniti.

E ha funzionato: Entro 60 giorni è emerso il lievito fiocco di neve. Quando questi lieviti si dividono, grazie alla mutazione, non si separano del tutto l’uno dall’altro. Invece, formano strutture ramificate di cellule geneticamente identiche. Il lievito è diventato multicellulare.

Ma Ratcliffe ha scoperto che i fiocchi di neve, mentre continuava a indagare, non sembravano essere diventati molto grandi e rimanevano ostinatamente microscopici. Attribuisce a Ozan Bozdag, un ricercatore post-dottorato nel suo gruppo, la svolta nell’ossigeno, o ipossia.

Per molti esseri viventi, l’ossigeno funge da carburante per razzi. L’energia immagazzinata negli zuccheri è facilmente accessibile.

Il dottor Bozdag ha dato ossigeno ad alcuni dei lieviti nell’esperimento e ne ha trapiantati altri che avevano una mutazione che ne impediva l’uso. Ha scoperto che nel corso di 600 trasferimenti, il lievito carente di ossigeno è esploso di volume. I loro fiocchi di neve crescevano e crescevano, fino a diventare visibili ad occhio nudo. Un attento esame delle formulazioni ha rivelato che le cellule di lievito erano molto più lunghe del normale. I rami erano cresciuti intrecciati in un fitto ciuffo.

Gli scienziati ritengono che questa densità possa spiegare perché l’ossigeno è una tale barriera alla crescita del lievito. Per i lieviti che potevano utilizzare l’ossigeno, l’aumento del loro volume presentava notevoli svantaggi.

Finché i fiocchi di neve sono rimasti piccoli, le cellule hanno generalmente pari accesso all’ossigeno. Ma le grandi e dense otturazioni significano che le cellule all’interno di ogni grumo sono tagliate fuori dall’ossigeno.

Il lievito che non può usare l’ossigeno, al contrario, non ha nulla da perdere, e così è andato alla grande. I risultati indicano che l’alimentazione di tutte le cellule in un cluster è una parte importante dei compromessi che un organismo deve affrontare quando diventa multicellulare.

Anche i gruppi formati sono difficili.

“La quantità di energia necessaria per rompere queste cose è aumentata di oltre un milione di volte”, ha affermato Peter Junker, professore alla Georgia Tech e coautore dell’articolo.

Questo potere potrebbe essere la chiave per un altro passo nello sviluppo della multicellularità, afferma il dottor Ratcliffe: lo sviluppo di qualcosa come un sistema circolatorio. Se le cellule all’interno di una grande massa hanno bisogno di aiuto per accedere ai nutrienti, è fondamentale un oggetto abbastanza forte da dirigere il flusso dei fluidi.

“È come sparare una manichetta antincendio in una massa di lievito”, ha detto il dottor Juncker. Se la massa cellulare è scarsa, questo afflusso di nutrienti la distruggerà prima che ogni cellula possa nutrirsi.

Il team sta ora esplorando se densi grumi di lievito di fiocchi di neve potrebbero sviluppare modi per fornire sostanze nutritive ai loro organi più interni. Se lo fanno, allora questi lieviti nelle loro provette ad Atlanta potrebbero dirci qualcosa su com’era, eoni fa, quando i tuoi antenati e molti organismi intorno a te iniziarono a costruire corpi dalle cellule.