Lo sviluppo della biologia evoluzionistica/ cap.3

Dalle nuove scoperte genetiche alla comprensione dei meccanismi che regolano lo sviluppo.

LE NUOVE SCOPERTE E LE LORO IMPLICAZIONI

Alcuni specialisti, specialmente fra coloro che si occupano di microrganismi, non ritengono sufficienti le spiegazioni fornite dalla nuova sintesi per giustificare il rapido evolversi dei viventi, in relazione alle mutate condizioni dell’ambiente esterno. Costoro sottovalutano, a nostro parere, le scoperte avvenute negli ultimi anni nei campi della biochimica, della genetica e dell’embriologia.

E’ noto da tempo che condizioni ambientali avverse possono condizionare lo sviluppo dell’embrione. Meno noti sono gli effetti che le stesse condizioni possono avere sul DNA. Il DNA modifica, infatti, la propria struttura secondaria in funzione di variazioni ambientali come: temperatura, forza ionica, concentrazione idrogenionica e qualità degli ioni presenti, modificazioni covalenti (come ad esempio metilazione delle basi azotate), interazione con proteine, tensioni dovute alle torsioni, presenza di radioattività, ecc.

Il concetto di configurazioni alternative del codice genetico è alla base del comportamento allosterico delle proteine (come brillantemente descritto da Di Mauro). La comprensione della capacità delle proteine di modificare in maniera programmata la loro conformazione tridimensionale, in funzione dell’interazione con molecole specifiche connesse con il loro funzionamento, ha consentito di chiarire i meccanismi che regolano il funzionamento degli enzimi e di molte proteine strutturali.

La capacità del DNA di modificare la propria struttura vuol dire arricchire, in un certo qual modo, aggiungere “informazione all’informazione genetica” (mi si consenta il gioco di parole). In questa alternanza di strutture si inserisce la dinamica delle interazioni proteiche e delle modificazioni indotte dal superavvolgimento della doppia elica. Un altro fenomeno basilare è il comportamento degli attivatori. Questi fenomeni, già da soli, rendono conto di apparenti anomalie nella trasmissione del genoma. Un argomento adotto dai neolamarckiani è l’apparente violazione del “dogma centrale” da parte delle proteine di sintesi.

Infatti, trapiantando in un batterio una sequenza nucleotidica, che specifica la formazione di una data proteina, spesso quest’ultima non assume la normale conformazione tridimensionale, restando “a spaghetto”. E’ stato proposto che la conformazione tridimensionale è specificata da un’altra sequenza; ma è probabile che giocano un ruolo non secondario le modifiche indotte dalla conformazione del DNA (a prescindere cioè dalla sequenza nucleotidica) e le interazioni con l’ambiente cellulare.

Un fenomeno, chiarito da Yuichiro Hiraizumi fin dal 1956, che potrebbe determinare apparenti “anomalie” è l’apparente violazione delle leggi ereditarie, da parte di alcuni geni. Questi, nella riproduzione sessuale, riescono ad “ingannare” il sistema, garantendosi la sopravvivenza, anche se sono recessivi. In generale questi geni risultano dannosi per l’organismo, ma in alcuni casi, potrebbero determinare delle variazioni utili.

Un concetto, chiarito da Motoo Kimura, perfettamente compatibile con il modello darwiniano della selezione naturale, è che la maggior parte delle mutazioni e la variabilità intraspecifica, sono provocati dalla deriva casuale di geni mutanti, che sono equivalenti nei confronti della selezione. Molte mutazioni alternative sono sempre presenti in ogni popolazione; diventano predominanti quando cambiano le condizioni ambientali diventando a loro più favorevoli. Probabilmente è questa la ragione della conservazione, da parte della selezione, delle differenze intraspecifiche. Gli organismi di una stessa specie, e spesso di una stessa popolazione differiscono per numerosi caratteri, come la composizione di alcune proteine; queste differenze dovrebbero contribuire a favorire la sopravvivenza della specie in caso di crisi.

Del resto la funzione della riproduzione sessuale, così dispendiosa nell’economia dell’individuo, è proprio il favorire il rimescolamento del patrimonio genetico e la comparsa di variazioni.

Il concetto di deriva genetica, in effetti, era già stato elaborato da Sewall Wright. Merito di Kimura averlo sviluppato matematicamente.

Di fondamentale importanza è la duttilità e la dinamicità del cromosoma della cellula eucariota. Infatti i cromosomi svolgono, attraverso la loro plasticità, un ruolo non secondario nell’evoluzione, contribuendo a rafforzare la variabilità genetica.

Dalla fine degli anni novanta è stata sviluppata la cosiddetta teoria dell’evo-devo; si è riconosciuta l’importanza dello sviluppo embrionale nel processo evolutivo, e si è dimostrato che gli effetti delle mutazioni, sono maggiori se queste si realizzano durante lo sviluppo embrionale.

Moto Kimura
Sewall Wright

EVOLUZIONE BIOLOGICA ED EVOLUZIONE CHIMICA

Affrontiamo ora uno degli argomenti più delicati e controversi, eppure affascinante: l’origine della vita dalla materia inorganica e la formazione della cellula.

La caratteristica basilare che deve possedere qualsiasi molecola, che può essere candidata alla formazione della vita, è la capacità di replicarsi. La molecola del DNA è troppo grossa, complessa e delicata per poter essere candidata a questo ruolo. Del resto il DNA per replicarsi ha bisogno di un ambiente adatto e di una serie di “partner” (come le polimerasi).

Le ipotesi sull’origine della vita sulla terra, in presenza di un atmosfera riducente, risalgono agli anni trenta, e sono dovute a Alexander I. Oparin e J. B. S. Haldane. Altri scienziati, Richter ed Arrhenius, avevano proposto che la vita fosse stata trasportata sulla Terra da meteoriti. Molecole biologiche sono state trovate in meteoriti, ma quest’ipotesi, oltre a spostare il problema dell’origine su un altro pianeta, appare difficilmente difendibile; per l’estrema improbabilità che un meteorite cada al momento giusto, nel posto giusto.

E’ possibile che le prime molecole capaci di duplicarsi, abbiano potuto beneficiare del substrato formato da rocce di origine vulcanica, che sono caratterizzate dal possedere un debole campo magnetico; che ha facilitato l’instaurarsi della loro configurazione (ipotesi questa attualmente oggetto di sperimentazione da parte dell’Autore di questa monografia). Nel 1953 Stanley L. Miller, laureando all’University of Chicago, nel laboratorio di H. C. Hurey, poneva le basi  della ricerca sperimentale tesa a far luce sulle condizioni che hanno determinato la comparsa della vita sulla Terra.

Utilizzando un semplice apparato, da lui stesso ideato, e le molecole che potevano trovarsi sul pianeta in epoca prebiotica (metano, ammoniaca, acqua ed idrogeno) e, sottoponendo le stesse a scariche elettriche continue, ottenne degli amminoacidi. Nel 1961, Juan Orò, a quel tempo all’University di Houston, nel tentativo di semplificare l’esperimento di Miller, ottenne la formazione, insieme con altre molecole, di adenina. Negli anni settanta, Ponnamperuma, dell’Istituto di Esobiologia della NASA, riuscì ad ottenere, con opportuni esperimenti, gli altri costituenti degli acidi nucleici.

Secondo molti ricercatori, la prima molecola in grado di autoreplicarsi potrebbe essere stata l’RNA, il secondo acido nucleico, che ha la funzione di “tradurre” il messaggio genetico per sintetizzare le proteine. Anche riconoscendo l’altissima probabilità della formazione dell’RNA prima del DNA, rimane la domanda fondamentale di come spiegare la replicazione di un acido nucleico in assenza di proteine. Una possibile spiegazione, dimostrata sperimentalmente da James P. Ferris del Rensselaer Polytechnic Institute, è che un’argilla comune, la montmorillonite, catalizza la sintesi degli oligonucleotidi dell’RNA.

Alcuni studiosi hanno iniziato a cercare sistemi genetici alternativi. Eschenmoser, ad esempio, ha ottenuto una struttura alternativa di ribosio, il piranosil-RNA; che si distingue dallo zucchero dell’RNA per la presenza di un atomo di carbonio in più. Questo riduce le possibili variazioni possibili nella molecola. Peter E. Nielsen, dell’Università di Copenaghen, ha progettato al calcolatore una molecola polimerica caratterizzato da uno scheletro proteico e da due catene laterali formate dalle basi azotate degli acidi nucleici.

Questa molecola, una sorta di RNA proteico, è in grado di combinarsi stabilmente con un filamento complementare. Questo significa che anche un codice proteico può fungere da stampo per la costruzione del suo filamento complementare, esattamente come accade con gli acidi nucleici. Sia che la formazione del RNA sia avvenuta in maniera spontanea, sia che abbia sostituito un sistema replicante più semplice, è probabile che sia stata la reazione che ha permesso il successivo sviluppo della vita.

Una scoperta fondamentale, effettuata da Thomas R. Cech, è che l’RNA è in grado di comportarsi come un enzima, essendo in grado di catalizzare tagli e saldature nella propria molecola. Un ulteriore passo avanti è la dimostrazione, in laboratorio, della selezione naturale delle molecole prebiotiche. Questo permette di capire in che modo gli antichi geni a RNA interagissero con le molecole proteiche e come si sia potuto evolvere il codice genetico. ). Inoltre pare ormai accertato che la composizione dell’atmosfera primordiale non fosse riducente e che le prime macromolecole si siano sviluppate in pozze calde, probabilmente originate dalla presenza di magmi. Questo avvalorerebbe l’ipotesi della presenza di un debole campo magnetico che potrebbe aver favorito fenomeni di coerenza molecolare.

Mentre proseguono le ricerche su questo argomento, si moltiplicano gli studi tendenti a capire come si sia originata la cellula.  Attualmente sappiamo che gli organismi più semplici sono Batteri. Escludiamo i Virus che, pur formati solo da un acido nucleico e da un rivestimento proteico, non sono in grado di autoreplicarsi e quindi sfruttano l’apparato cellulare dell’organismo ospite.

La maggior parte dei Batteri è formata da una cellula estremamente semplice, senza una membrana che divide il nucleo dal resto della cellula. Questa struttura, in linea generale, è condivisa dalle Alghe azzurre, classificate con i Batteri nel raggruppamento dei procarioti (appunto senza il nucleo cellulare). Fino a non molto tempo addietro gli altri organismi, Protisti, Piante, Animali e Funghi, eucarioti (possessori di un vero nucleo) erano considerati l’altra linea di discendenza dei viventi.

Studiando gli estremofili, organismi apparentemente simili ai batteri che vivono in ambienti inadatti alla sopravvivenza degli altri esseri viventi (luoghi troppo caldi o troppo freddi, acidi o basici, salati, ecc.), ci siamo resi conto di avere a che fare con un terzo raggruppamento di organismi, denominati Archibatteri, con caratteristiche intermedie ai primi due. Si è potuti arrivare a questa strabiliante scoperta grazie al confronto, effettuato nel 1977 da Carl R. Woesee e dai suoi collaboratori dell’University dell’Illinois, del RNA ribosomiale di molti organismi diversi.

Questa scoperta è stata confermata nel 1996 da Craig Hennig, dell’Istituto per la Ricerca sul Genoma, decodificando il DNA di Methanococcus jannaschii, composto da 1638 geni; un Archibatterio raccolto nel 1982 da Holger Jannasch in una sorgente sulfurea nel corso di una spedizione, cui hanno contribuito i ricercatori di tre diversi Istituti di Ricerca. Poiché gli Archibatteri e molte specie di Batteri sono adattate a vivere in condizioni estreme, per lo più in ambiente riducente (assenza di ossigeno), si ipotizza che questi organismi siano fra i più antichi e che si siano separati molto presto da un antenato comune. Gli eucarioti si sarebbero separati successivamente dagli Archibatteri.

La documentazione fossile indica che questa separazione è avvenuta intorno ad un miliardo e quattrocento milioni di anni fa, almeno a quel tempo risalgono i fossili più antichi di organismi planctonici unicellulari eucarioti. Le cellule degli eucarioti possiedono molti tipi di organelli specializzati, come i cloroplasti ed i mitocondri. Le ricerche stanno portando alla conferma dell’ipotesi di Linn Margulis secondo cui questi organelli si sono sviluppati da organismi indipendenti, entrati in simbiosi nella cellula. E’ già noto da anni che cellule isolate di alcuni animali più semplici, come i poriferi (spugne) e i polipi (idra), possono aggregarsi e riformare un animale completo. E’ possibile che questo ci dia un’idea di come si sono aggregate singole cellule per dare inizio agli organismi pluricellulari.

Albero filogenetico dei viventi basato sulle sequenze ribosomiali dell’unità 16s dil RNA (Carl Woese, 1990)
Alexander Oparin
J.B.S. Haldane
Sorgente sulfurea dove è stato scoperto Methanococcus jannaschii
Methanococcus jannaschii

VERSO LA COMPRENSIONE DEI MECCANISMI CHE REGOLANO LO SVILUPPO

Non possiamo non accennare ad un argomento fondamentale: lo sviluppo, dall’embrione all’organismo adulto. Per molto tempo è risultato arduo cercare di rispondere al quesito di come si formi un organismo complesso, spesso formato da centinaia di tipi cellulari diversi, per di più riuniti in organi, afferenti ad apparati a loro volta interagenti fra loro. Solo recentemente si è cominciato a poter abbozzare una risposta a questa complessa domanda. Ricapitoliamo brevemente ciò che avviene dopo la fecondazione dell’ovulo femminile da parte dello spermatozoo.

La spiegazione di come questo avvenga e dei meccanismi che impediscono l’ingresso di più spermatozoi nell’ovulo è stata data solo recentemente. Comincia la divisione cellulare, in breve tempo si formano, per divisione successive, circa quattromila cellule. A questo stadio l’embrione, chiamato blastula, ha la forma di una sfera cava. Le cellule attorno alla zona mediana, si differenziano a formare il mesoderma, grazie a fattori di crescita liberati da grosse cellule presenti nel tuorlo, presenti nella parte inferiore dell’embrione.

Nella fase successiva, la gastrula, si formano tre strati di cellule: il mesoderma, che darà origine alla maggior parte delle strutture corporee; l’endoderma da cui si originerà lo strato epiteliale del tubo digerente, il fegato ed il pancreas, i polmoni, ed altri organi; l’ectoderma che porterà alla formazione della cute e del sistema nervoso.

L’ectoderma si trasforma nel sistema nervoso a causa di segnali chimici provenienti dal sottostante mesoderma. Segnali che inducono parte dell’ectoderma ad ispessirsi per formare la piastra neurale (per questo motivo l’embrione a questo stadio di sviluppo viene definito neurula). I bordi della piastra neurale si piegano, l’uno verso l’altro, mentre la parte mediana si insinua nel corpo dell’embrione originando il tubo neurale che costituirà la base per la formazione dell’encefalo e del midollo spinale.

Nel 1918 Ross G. Harrison era già riuscito a dimostrare che le cellule dell’embrione stabiliscono le strutture che formeranno già dopo la gastrulazione. Gli studi sul controllo della formazione del piano corporeo continuarono, su tutti gli organismi, fino al 1948, quando furono sostituiti dalla ricerca genetica. Risale a quell’anno l’analisi genetica sulle mutazioni omeotiche, ossia che provocano la crescita di un organo localizzato normalmente in un altra zona dell’organismo, effettuata sulla Drosophila melanogaster da Edward B. Lewis del California Institute of Technology.

Agli inizi degli anni ottanta, David S. Hogness e Welcome Bender della Stanford University, riuscirono ad isolare i primi geni omeotici. Seguiti ben presto da Walter J. Gehring e Richard L. Garber del Biozentrum dell’Università di Basilea e da Matthew P. Kaufmann dell’Indiana University. Nel 1983 Gehring, insieme al suo collaboratore William J. McGinnis scoprì che le sequenze dei geni omeotici presenti in un sito genetico, venivano conservate anche in un altro sito deputato allo sviluppo. In seguito McGinnis ha dimostrato che queste sequenze si trovano in diversi invertebrati.

Le cellule embrionali sono cioè collegate fra loro.

In seguito Eddy M. De Robertis, Guillelmo Oliver e Christopher V. E: Wright estesero questa informazione anche agli embrioni dei vertebrati. Più recentemente, Robb Krumlauf del Medical Research Council di Londra e Denis Duboule del Laboratorio europeo di biologia molecolare, lavorando sugli embrioni di topo, fecero contemporaneamente ed indipendentemente fra loro, una fondamentale scoperta. Partendo da una precedente scoperta, di altri ricercatori, che i geni homeobox (omeotici) si dispongono in complessi su un cromosoma, secondo un preciso ordine si accorsero inaspettatamente che i geni dotati di sequenza homeobox si dispongono nella sede nella quale si esprimono.

Gli homeobox situati all’estremità sinistra del complesso si esprimono nelle parti posteriori del corpo; mentre i geni homeobox, localizzati nei pressi dell’estremità destra, si esprimono nella testa. Lewis aveva osservato lo stesso fenomeno nella Drosophila molto tempo prima. I geni homeobox sembrano presenti in tutto il regno animale, nella stessa tipologia e divisi in quattro domini che determinano la formazione antero-posteriore del corpo. Determinando così l’ubicazione dei campi di cellule che origineranno organi ed apparati.

Ubicazione dei geni homeobox in Drosophila ed in Topo

Ettore Ruberti
Ettore Ruberti

Ricercatore dell’ENEA, Dipartimento FSN-FISS-SNI, Professore a contratto di Biologia generale e molecolare all’Università Ambrosiana, Direttore del Dipartimento di Biologia ed Ecologia di UNISRITA

ETTORE RUBERTI E' Ricercatore dell’ENEA, Dipartimento FSN-FISS-SNI, I suoi campi di ricerca sono l’evoluzione biologica e l’entomologia applicata. Dal ’91 si occupa anche di idrogeno come vettore energetico e di fenomeni nucleari collettivi nella materia condensata. Rappresenta l’ENEA al Forum Italiano dell’Idrogeno ed è coautore del libro bianco sull’idrogeno “Linee guida per la definizione di un piano strategico per lo sviluppo del vettore energetico idrogeno”. Dal ’97 Professore a contratto di Biologia generale e molecolare all’Università Ambrosiana. Dal 25 settembre 2012 con qualifica accademica di Licentia Docenti ad Honorem per merito di chiara fama nella disciplina. E’ Direttore del Dipartimento di Biologia ed Ecologia di UNISRITA. Ha sviluppato una nuova ipotesi sul ruolo svolto da un debole campo elettromagnetico in argille di origine magmatiche (le montmorilloniti) nella formazione delle prime macromolecole biologiche, ipotesi che sta sottoponendo a verifica sperimentale. Ha sviluppato, in collaborazione con il Rettore dell’Università Ambrosiana, un progetto di ricerca, volto l’interruzione del ciclo del Plasmodium della Malaria nella Zanzara Anopheles, attualmente in fase di realizzazione attraverso una collaborazione ENEA/Università Ambrosiana.

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