Nel 1859 Charles Darwin sbalordì il mondo con la pubblicazione dell’ Origine delle specie per selezione naturale. L’idea geniale espressa nel testo era che individui della stessa specie sono diversi per caratteristiche genetiche e funzionali e, nel corso delle generazioni, vengono selezionate mutazioni genetiche casuali che comportano un vantaggio adattativo in termini di sopravvivenza e riproduzione.
Da allora ad oggi, in circa 150 anni, si sono fatti passi da gigante nella comprensione dei meccanismi molecolari che sono alla base dell’evoluzione delle specie: nel 1915 Thomas Morgan dimostrò la localizzazione lineare dei geni sui cromosomi; nel 1937 Theodosius Dobzhansky formulò una sintesi tra biologia evolutiva e genetica mendeliana; negli anni ’60 le scoperte su struttura e funzione del DNA, RNA e proteine chiarirono le basi molecolari dell’evoluzione; negli ultimi tempi, il sequenziamento di interi genomi, l’analisi strutturale delle proteine e la bioinformatica hanno enormemente allargato il campo d’indagine.
Attualmente è accertato che i meccanismi alla base dell’evoluzione dei geni sono mutazioni di basi, derivanti da errori nella replicazione del DNA durante la divisione cellulare. La maggior parte delle mutazioni sono puntiformi, coinvolgono, cioè, una singola base; altri tipi di mutazioni coinvolgono segmenti più lunghi di DNA e possono causare inserzioni, delezioni, duplicazioni e traslocazioni.
A livello di proteine, la sequenza amminoacidica cambia quasi sempre in risposta alle alterazioni nella sequenza del DNA, mettendo così in relazione i cambiamenti dei geni ai cambiamenti funzionali delle proteine.
Gli avanzamenti evolutivi sono spesso connessi al conferimento di una nuova funzione ad un gene esistente mediante mutazioni che comportano modifiche della sequenza amminoacidica.
Una recente pubblicazione ha dimostrato che non sempre l’evoluzione procede in questo modo (Petrie KL et al. Science. 359, 1542-1545, 2018). Il sistema studiato è quello dell’interazione del batteriofago, fago l (virus costituito da una testa contenente DNA e una coda filamentosa capace di fissarsi alla cellula batterica bersaglio) con batteri di Escherichia coli in condizioni di laboratorio. Il fago riconosce, tramite una proteina prodotta da un gene chiamato J, un recettore specifico chiamato LamB, sulla superficie del batterio. Nelle condizioni di laboratorio, mediante quattro mutazioni, il gene J evolve migliorando il legame con LamB e acquisendo la capacità di interagire con un’altra struttura della cellula batterica chiamata OmpF. Il meccanismo molecolare che porta una proteina prodotta da un singolo gene ad assumere molteplici funzioni è di difficile interpretazione. Nella pubblicazione citata il mistero è stato svelato: le quattro mutazioni del gene J intervenute nel processo evolutivo, hanno prodotto una singola sequenza proteica capace di assumere due conformazioni diverse, capaci di legarsi una a LamB e l’altra a OmpF. In genere mutazioni geniche che rendono instabile la proteina prodotta ne limitano l’attività fisiologica; in questo caso però una struttura instabile è capace di assumere conformazioni diverse che operano in modo diverso. Invece di duplicare un gene e differenziarne le funzioni di ciascuna copia, in questo caso l’evoluzione ha adottato una strategia finora non evidenziata in alcun sistema biologico, modificando la sequenza del gene J in modo da produrre una proteina con due conformazioni stabili con funzioni divergenti.
