Toate ramurile științei au întrebări fundamentale fără răspuns care reprezintă orizontul spre care privesc cercetătorii. În biologie, una dintre acestea este cum celulele simple (procariote), precum bacteriile, au dat naștere acum 2 miliarde de ani celor complexe (eucariote), necesare pentru dezvoltarea organismelor multicelulare.

O colaborare între cercetători spanioli din biologie, fizică și computație de la diferite universități a găsit un răspuns și o formulă matematică care îl demonstrează, conform publicației PNAS: limitarea capacității de a crește în continuare dimensiunea proteinelor a dus la o schimbare de strategie care a recurs la genetică pentru o modificare unică, abruptă și crucială în viață.

Jordi Bascompte, profesor de Ecologie la Universitatea din Zürich, laureat al premiului Margalef și coautor al studiului, amintește cum biochimistul britanic Nick Lane, cercetător la University College London, admitea în cartea sa „Chestiunea vitală” (Ariel, 2016): „Nu se cunosc intermediari evolutivi între starea morfologic simplă a procariotelor și strămoșul comun tulburător de complex al eucariotelor. Toate aceste atribute ale vieții complexe se află într-un vid filogenetic, o gaură neagră în inima biologiei”. Cercetarea publicată astăzi aduce lumină asupra acestei zone obscure și fundamentale pentru a înțelege ce și de ce suntem.

Până acum 2 miliarde de ani, celulele au putut deveni mai complexe prin alungirea proteinelor pentru a completa procese de reglare genetică mai sofisticate, dar această strategie era limitată: evoluția trebuia să găsească o altă cale. Într-un mod abrupt, fără pași intermediari, asemănător procesului fizic al magnetismului în metale sau al apei lichide transformându-se în gheață, acea celulă simplă a început să folosească părți ale ADN-ului care nu codifică proteine, cum ar fi intronii (numiți impropriu ADN „gunoi”), pentru a regla informația genetică.

Teoria endosimbiotică propusă de Lynn Margulis stabilește că două celule simple s-au unit (se exemplifică adesea prin faptul că una a „mâncat-o” pe cealaltă) într-o relație simbiotică (de beneficiu reciproc) care a permis dezvoltarea mitocondriei, centrala energetică a vieții, și a altor organite.

„Asta explică începutul”, argumentează Bascompte. Cercetarea sa, dezvoltată împreună cu Enrique M. Muro (cercetător în fizică și biologie computațională la Universitatea Johannes Gutenberg din Mainz), Fernando J. Ballesteros (astrobiolog și doctor în Fizică la Universitatea din Valencia) și Bartolo Luque (doctor în Științe Fizice la Universitatea Politehnică din Catalunya), este complementară. „Originea simbiotică este stabilită, dovezile sunt foarte puternice și trebuie să presupunem că așa a fost, dar rămânea de explicat cum, de acolo, s-a putut ajunge la un nou sistem de reglare genetică care să permită menținerea acestui nou nivel de organizare celulară, iar munca noastră aduce lumină în această direcție”, detaliază biologul catalan.

Mai multe informații

Un microb devorator de microbi clarifică un pas crucial în evoluția vieții pe Pământ.

„După acea origine simbiotică, noua celulă trebuie să organizeze această complexitate. Pentru aceasta, are nevoie nu doar de acel prim moment de simbioză, ci și de o serie de schimbări care îi permit o nouă formă de reglare genetică. Alungirea proteinelor fusese singura cale de la originea vieții pentru o mai mare sofisticare a procesului de reglare genetică, dar ajunge un moment în care nu mai este fezabilă. Cu proteine scurte, timpul necesar sau restricțiile pentru plierea lor sunt relativ minore. Dar, pe măsură ce lungimea proteinei crește, restricțiile pentru plierea sa funcțională devin din ce în ce mai mari, deoarece spațiul posibilităților devine enorm”, precizează Bascompte. Evoluția se lovește de o limită computațională.

Biologul exemplifică acest lucru cu problema clasică informatică a rutelor logistice: calea cea mai eficientă între două sau trei destinații este simplă, dar pe măsură ce rețeaua de distribuție crește, dificultatea și, prin urmare, timpul de calcul pentru a găsi o soluție cresc foarte rapid.

Această strategie biologică alternativă, pe care cercetarea o traduce într-un algoritm matematic ce prezice soluția evolutivă, a fost reglarea genetică, continuând să genereze ADN care nu mai codifică pentru alungirea proteinelor, regiuni (introni) care contribuie la această nouă soluție. „Ceea ce permit este să facă permutări, să crească numărul de soluții și, prin urmare, face mai simplă găsirea uneia dintre aceste soluții pentru a putea dezvolta niveluri de complexitate mai mari”, simplifică Bascompte.

Pentru a-și demonstra propunerea, echipa a dezvoltat un model de creștere multiplicativă a genelor care explică aceste tipare biologice și face o serie de predicții despre distribuția lungimilor genelor și proteinelor. „Toate sunt confirmate de date”, subliniază profesorul de Ecologie din Elveția. „Modelul este o modalitate de a arăta limitele strategiei anterioare bazate exclusiv pe proteine și cum evoluția a putut depăși această limită menținând un mecanism de creștere genetică conservat de-a lungul evoluției”, adaugă el.

Lucrarea nu numai că oferă o soluție la unul dintre marile enigme ale biologiei, dar, în plus, cristalizează o colaborare începută acum 30 de ani între oameni de știință din diferite ramuri care au împărțit atunci biroul și tabla unde își transpuneau dorințele de răspunsuri. „Acea interdisciplinaritate și acea căutare de punți între discipline s-a format în acel moment. A fost un moment foarte gratifiant”, își amintește el.

Bascompte admite că lucrarea are limitări, cum ar fi imposibilitatea de a dispune de organisme de acum 2 miliarde de ani și necesitatea de a deduce pasul evolutiv din bacteriile și ciupercile actuale.

Biologul Jordi Bascompte. Sixto Arjona

Dar, în ciuda acestei limitări, ei cred că au găsit nu doar răspunsul la ce s-a întâmplat acum 2 miliarde de ani, ci și la cum. În acest sens, Bascompte amintește cum „marele său maestru [Ramón] Margalef spunea că în biologie există puține legi fundamentale și, în orice caz, toate sunt de tipul «trecerea interzisă»”. Acest tip de restricție a fost cea cu care s-a confruntat viața în fața imposibilității de a continua alungirea proteinelor, iar soluția a fost abruptă, fără faze intermediare. „Orice formă alternativă ar fi fost o soluție instabilă care nu ar fi fost capabilă să supraviețuiască perturbărilor”, explică el. Și concluzionează: „Puterea de a reconcilia contingența evoluției și universalitatea fizicii îți permit cu adevărat să înțelegi frumusețea vieții”.

Biotehnologul César de la Fuente, de la Universitatea din Pennsylvania, consideră „fascinantă” lucrarea publicată în PNAS pentru că „abordează într-un mod inovator unul dintre marile mistere ale biologiei”.

„Autorii au analizat peste 33.000 de genomi diferiți și au descoperit că există o relație universală și matematic clară între lungimea medie a genelor și variabilitatea lor, care se menține de la cele mai simple bacterii până la organisme atât de complexe precum vertebratele”, subliniază De la Fuente, care nu a participat la studiu.

„Ceea ce îmi atrage cel mai mult atenția”, adaugă cercetătorul, laureat, printre altele, al premiului Prințesa de Girona, „este modul în care studiul conectează această observație biologică cu un cadru conceptual propriu informaticii și matematicii. Ei sugerează că apariția celulelor eucariote ar fi putut fi un fel de «tranziție de fază» algoritmică, comparabilă cu momentul în care apa trece de la starea lichidă la cea solidă”.

„Personal, găsesc foarte interesantă această analogie între evoluția biologică și algoritmii computaționali. Această abordare permite realizarea de predicții concrete, de exemplu, estimarea că primele celule eucariote au apărut acum aproximativ 2,6 miliarde de ani, sau că există o lungime critică a genelor (aproximativ 1.500 de perechi de baze) la care s-a produs acest salt evolutiv. Cred că această lucrare ne oferă o perspectivă unică asupra modului în care anumite limitări fizice și computaționale au influențat profund istoria noastră evolutivă. Ajută la explicarea modului în care viața a atins complexitatea necesară pentru a permite existența organismelor multicelulare, inclusiv plante, animale și, desigur, pe noi înșine”, conchide el.