Individuazione di un limite fondamentale per l'evoluzione del codice genetico


    La natura è in continua evoluzione e i suoi limiti sono determinati solo dalle variazioni che minacciano la sopravvivenza della specie. La ricerca sull'origine e sull'espansione del codice genetico è fondamentale per spiegare l'evoluzione della vita.

    Rappresentazione 3D di un RNA transfer (tRNA). Queste molecole sono fondamentali per la traduzione di geni in proteine e sono anche il motivo per cui il codice genetico non può superare i 20 amminoacidi. Credit: Pablo Dans, IRB BarcelonaImmagine - Rappresentazione 3D di un RNA transfer (tRNA). Queste molecole sono fondamentali per la traduzione di geni in proteine e sono anche il motivo per cui il codice genetico non può superare i 20 amminoacidi. Credit: Pablo Dans, IRB Barcelona

     

    Un gruppo di biologi specializzato in questo specifico settore di ricerca ha pubblicato uno studio sulla rivista Science Advances, in cui viene spiegato che esiste un limite che frena l’ulteriore sviluppo del codice genetico, il set di regole universali utilizzato da tutti gli organismi presenti sulla Terra per tradurre le sequenze genetiche degli acidi nucleici (DNA ed RNA) in sequenze di amminoacidi, le quali a loro volta costituiscono le proteine che sono alla base delle funzioni cellulari.

     

    Lo studio è stato coordinato da Lluís Ribas de Pouplana, ricercatore presso l’ICREA (Catalan Institution for Research and Advanced Studies) e l’IRB (Institute for Research in Biomedicine) in collaborazione con Fyodor A. Kondrashv, ricercatore presso il CRG (Centre for Genomic Regulation) e il prof. Modesto Orozco dell’IRB.

    L'evoluzione del codice genetico include un massimo di 20 amminoacidi

    Il team di scienziati ha dimostrato che il codice genetico si evolve includendo un massimo di 20 amminoacidi e non cresce ulteriormente a causa di una limitazione funzionale dell’RNA transfer, ossia le molecole che hanno la funzione di mediare il linguaggio geni-proteine.

     

    Questa battuta d'arresto riguardante l'aumento della complessità della vita è avvenuta più di 3000 milioni di anni fa, prima che avvenisse l'evoluzione separata di batteri, eucarioti e archeobatteri, in quanto tutti gli organismi utilizzano lo stesso codice per produrre proteine partendo dalle informazioni genetiche.

     

    Gli autori dello studio spiegano che la macchina che traduce i geni in proteine non è in grado di riconoscere più di 20 amminoacidi perché ciò potrebbe creare situazioni di caos, che porterebbero a costanti mutazioni nelle proteine e, quindi, ad una traduzione erronea dell’informazione genetica «con conseguenze catastrofiche», dichiara Ribas. «La sintesi delle proteine, basata sul codice genetico è la caratteristica determinante dei sistemi biologici ed è fondamentale assicurare una traduzione fedele delle informazioni» prosegue il ricercatore.

     

    Una limitazione imposta dalla forma

    La saturazione del codice genetico ha origine nell’RNA transfer (tRNA), ossia le molecole responsabili del riconoscimento delle informazioni genetiche e che trasportano l'amminoacido corrispondente al ribosoma, il “luogo” in cui le catene di amminoacidi vengono trasformate nelle proteine seguendo le informazioni codificate in un determinato gene.

    Tuttavia, per potersi adattare alla cavità del ribosoma, le molecole di tRNA devono assumere una forma a L, e tra di esse c'è una piccolissima possibilità di variazione.

     

    «Sarebbe stato un vantaggio per il sistema disporre di nuovi amminoacidi perché, in effetti, noi utilizziamo più dei 20 amminoacidi che abbiamo a disposizione, ma gli amminoacidi supplementari vengono incorporati attraverso percorsi molto complicati che non sono collegati al codice genetico. Si è arrivati al punto in cui la natura è riuscita a creare nuove molecole di tRNA che differivano sufficientemente da quelle già disponibili senza causare problemi di identificazione dell'amminoacido corretto. E ciò si è verificato quando è stato raggiunto il numero di 20 amminoacidi» spiega Ribas.

    Applicazioni alla biologia sintetica

    Uno degli obiettivi della biologia sintetica è quello di aumentare il codice genetico e modificarlo per costruire le proteine con amminoacidi differenti al fine di ottenere nuove funzioni. A questo scopo, i ricercatori utilizzano organismi come i batteri in condizioni altamente controllate per produrre proteine con determinate caratteristiche.
    «Ma questo è veramente difficile da ottenere e il nostro lavoro dimostra che per realizzare sistemi biotecnologici più efficaci è necessario evitare il conflitto nell’identificazione delle  molecole di tRNA sintetiche progettate in laboratorio rispetto a quelle esistenti» conclude il ricercatore.

    Riferimenti

    Saturation of recognition elements blocks evolution of new tRNA identities

    Adélaïde Saint-Léger, Carla Bello-Cabrera, Pablo D. Dans, Adrian Gabriel Torres, Eva Maria Novoa, Noelia Camacho, Modesto Orozco, Fyodor A. Kondrashov, and Lluís Ribas de Pouplana

    Science Advances (29 April 2016). DOI: 10.1126/sciadv.1501860



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