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

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Fiocchi di neve di lievito in un laboratorio offrono spunti su come la vita sulla Terra è passata da organismi unicellulari a organismi multicellulari.

Di Veronique Greenwood

In un laboratorio di Atlanta, migliaia di cellule di lievito combattono ogni giorno per la propria vita. Quelli che vivono un altro giorno crescono più velocemente, si riproducono più velocemente e formano i gruppi più grandi. Per circa un decennio, le cellule si sono evolute per aggrapparsi l'una all'altra, formando forme ramificate di fiocchi di neve.

Questi strani fiocchi di neve sono al centro degli esperimenti che esplorano cosa sarebbe potuto accadere milioni di anni fa, quando le creature unicellulari si unirono per la prima volta per diventare multicellulari. Quel processo, comunque sia andato, alla fine ha prodotto organismi ingombranti e favolosamente strani come polpi, struzzi, criceti e esseri umani.

Sebbene si pensi che la multicellularità si sia evoluta almeno 20 volte nella storia della vita sulla Terra, non è affatto ovvio come gli esseri viventi passino da una singola cellula a molte cellule che condividono lo stesso destino. Ma, in un articolo pubblicato mercoledì sulla rivista Nature, i ricercatori rivelano un indizio su come le cellule potrebbero iniziare a costruire un corpo. Il team che ha prodotto il lievito di fiocchi di neve ha scoperto che nel corso di 3.000 generazioni i grumi di lievito sono cresciuti così grandi da poter essere visti ad occhio nudo. Lungo il percorso, si sono evoluti da una sostanza morbida e soffice a qualcosa con la tenacità del legno.

Will Ratcliff, professore alla Georgia Tech, iniziò gli esperimenti sul lievito quando era alla scuola di specializzazione. È stato ispirato da Richard Lenski, un biologo della Michigan State University, e dai suoi colleghi che hanno coltivato 12 fiale di E. coli attraverso più di 75.000 generazioni, documentando dal 1988 come sono cambiate le popolazioni. Il dottor Ratcliff si chiedeva se uno studio sull'evoluzione che incoraggiasse le cellule a restare unite potesse far luce sulle origini della multicellularità.

"Tutti i lignaggi che conosciamo di quella multicellularità evoluta, hanno fatto questo passo centinaia di milioni di anni fa", ha detto. "E non abbiamo molte informazioni su come le singole cellule formano i gruppi."

Così ha organizzato un semplice esperimento. Ogni giorno, faceva roteare le cellule di lievito in una provetta, aspirava quelle che affondavano più velocemente sul fondo, quindi le usava per far crescere la popolazione di lievito del giorno successivo. Ha pensato che se avesse selezionato gli individui o i gruppi di cellule più pesanti, ci sarebbe stato un incentivo per il lievito a sviluppare un modo per restare insieme.

E ha funzionato: nel giro di 60 giorni è apparso il lievito dei fiocchi di neve. Quando questi lieviti si dividono, grazie ad una mutazione, non si separano completamente l'uno dall'altro. Invece formano strutture ramificate di cellule geneticamente identiche. Il lievito era diventato multicellulare.

Ma i fiocchi di neve, scoprì il dottor Ratcliff mentre continuava l'indagine, non sembravano mai diventare molto grandi, rimanendo ostinatamente microscopici. Egli attribuisce a Ozan Bozdag, un ricercatore post-dottorato nel suo gruppo, una svolta che coinvolge l'ossigeno, o la sua mancanza.

Per molti organismi, l’ossigeno funziona come una sorta di carburante per missili. Rende più facile l'accesso all'energia immagazzinata negli zuccheri.

Il dottor Bozdag ha dato ossigeno ad alcuni lieviti durante l'esperimento e ne ha coltivati ​​altri che avevano una mutazione che impediva loro di usarlo. Ha scoperto che nel corso di 600 trasferimenti, il lievito privo di ossigeno aumentava di dimensioni. I loro fiocchi di neve crescevano e crescevano, fino a diventare visibili ad occhio nudo. Un esame più attento delle strutture ha rivelato che le cellule di lievito erano molto più lunghe del normale. I rami si erano aggrovigliati, formando un fitto ciuffo.

Questa densità potrebbe spiegare perché l'ossigeno sembra essere stato un ostacolo alla crescita del lievito, pensano gli scienziati. Per i lieviti che potevano utilizzare l’ossigeno, diventare grandi aveva notevoli svantaggi.

Finché i fiocchi di neve rimanevano piccoli, le cellule generalmente avevano uguale accesso all’ossigeno. Ma i batuffoli grandi e densi significavano che le cellule all’interno di ciascun gruppo erano tagliate fuori dall’ossigeno.

I lieviti che non potevano utilizzare l'ossigeno, al contrario, non avevano nulla da perdere, e così fecero le cose in grande. La scoperta suggerisce che nutrire tutte le cellule di un cluster è una parte cruciale dei compromessi che un organismo deve affrontare quando diventa multicellulare.