Somatic differentiation evolves rapidly and repeatedly through the modification of developmental plasticity

La vita spesso inizia come una singola cellula autosufficiente, ma la storia della vita sulla Terra è anche la storia di come quelle singole cellule abbiano imparato a unirsi e a specializzarsi. Negli organismi multicellulari più complessi, come gli esseri umani o gli alberi, le cellule assumono compiti specifici. Alcune diventano muscoli per muovere il corpo, altre diventano cellule nervose per inviare segnali, e altre ancora diventano pelle per proteggere l'interno. Questa divisione del lavoro è un passo fondamentale nell'evoluzione, trasformando una collezione di cellule in un singolo individuo integrato. Per molto tempo, gli scienziati si sono chiesti come avvenga questa transizione. Richiede un lento e casuale accumulo di minuscole variazioni nel corso di milioni di anni? O può accadere più rapidamente se l'ambiente spinge l'organismo in una nuova direzione? Un'idea chiave in biologia suggerisce che se un tratto può cambiare in risposta all'ambiente — una qualità chiamata plasticità — quella flessibilità potrebbe essere proprio ciò che permette a un nuovo tratto permanente di evolversi.

Per testare questa idea, i ricercatori hanno rivolto la loro attenzione a una piccola alga verde chiamata Eudorina. Questi organismi vivono in acqua dolce e solitamente formano colonie sferiche composte da cellule identiche, tutte capaci di riprodursi. Tuttavia, l'Eudorina ha un segreto: quando fa freddo, alcune delle sue cellule cambiano. Diventano più piccole, smettono di riprodursi e sviluppano minuscole code chiamate flagelli per aiutare la colonia a nuotare. Queste sono cellule somatiche e, in natura, questo cambiamento è temporaneo; una volta passato il freddo, le cellule tornano alla normalità. Questa capacità di passare da uno stato all'altro è la plasticità che gli scienziati volevano studiare. Si sono chiesti: se continuassero a esporre queste alghe allo stress da freddo ripetutamente, il cambiamento temporaneo diventerebbe permanente? Le alghe si sarebbero evolute per avere sempre queste cellule specializzate e non riproduttive, anche quando l'acqua è calda?

La risposta è arrivata da un esperimento su larga scala che ha coinvolto sia ricercatori professionisti che centinaia di studenti universitari. Il team è partito da una singola colonia di Eudorina e l'ha suddivisa in molte linee separate. Hanno sottoposto queste linee a ripetuti shock termici, imitando un inverno rigido che non finiva mai. In laboratorio, hanno condotto l'esperimento con due linee, mentre in un corso universitario, gli studenti ne hanno gestite altre quarantasei, ognuna seguendo programmi leggermente diversi di esposizione al freddo. Dopo diversi mesi di questo stress, i risultati sono stati sorprendenti. In quasi la metà delle linee, le alghe hanno iniziato a produrre colonie con cellule specializzate anche quando non faceva freddo. La risposta plastica temporanea era diventata una caratteristica permanente dell'organismo.

Una linea specifica, che i ricercatori hanno seguito da vicino, è andata oltre. In questa linea di discendenza, ogni singola colonia produceva cellule specializzate, indipendentemente dalla temperatura. Le alghe si erano evolute da uno stato flessibile e indifferenziato a uno stato obbligato, il che significa che la specializzazione era ormai una regola fissa della loro biologia. Questa è la prima volta che gli scienziati sono riusciti a creare in laboratorio un organismo con differenziazione somatica obbligata. I ricercatori hanno scoperto che la proporzione di queste cellule specializzate nelle nuove linee corrisponde a quella che si osserva in natura in un genere di alghe correlato chiamato Pleodorina, che ha evoluto naturalmente questo tratto più volte. L'esperimento ha dimostrato che la via verso un nuovo tipo di individuo può essere pavimentata modificando una risposta esistente all'ambiente.

Per capire come ciò sia accaduto, il team ha sequenziato il DNA delle alghe evolute e lo ha confrontato con quello della versione originale, non evoluta. Hanno scoperto che i cambiamenti non erano casuali. Le mutazioni sono avvenute in geni che controllano come l'organismo risponde al freddo e come decide quali cellule debbano specializzarsi. Nell'alga originale, questi due processi sono separati: il freddo innesca un cambiamento temporaneo e lo sviluppo avviene normalmente. Nell'alga evoluta, gli interruttori genetici per questi due processi si erano fusi. I geni che normalmente si attivavano solo durante uno shock da freddo erano ora permanentemente attivi, costringendo le cellule a specializzarsi tutto il tempo. Ciò suggerisce che l'evoluzione non ha inventato un nuovo meccanismo da zero; invece, ha preso uno strumento esistente — la risposta al freddo — e lo ha riprogrammato per servire un nuovo scopo.

Lo studio ha anche rivelato che questa transizione è avvenuta sorprendentemente velocemente. In soli pochi mesi e poche decine di generazioni, le alghe avevano superato una soglia, passando da una semplice colonia di cellule identiche a un individuo più complesso con una divisione del lavoro. Questo rapido cambiamento supporta l'idea che, quando un organismo è già capace di cambiare la propria forma in risposta allo stress, è molto più facile che tale cambiamento diventi permanente. I ricercatori hanno osservato che più le alghe venivano esposte allo stress, più era probabile che evolvessero questa specializzazione permanente. Sembra che l'ambiente abbia agito come una guida, selezionando i cambiamenti genetici che fissavano una strategia di sopravvivenza utile.

Questo lavoro fornisce una finestra chiara su uno dei passaggi più importanti nella storia della vita: il passaggio da una semplice esistenza unicellulare a una complessa individualità multicellulare. Dimostra che il salto verso un nuovo tipo di essere non richiede sempre una lunga e lenta marcia di mutazioni casuali. A volte, può accadere quando un organismo viene spinto ai suoi limiti, e il meccanismo genetico che aiuta a sopravvivere a quella pressione viene riutilizzato per costruire qualcosa di nuovo. Osservando queste piccole colonie verdi evolversi in tempo reale, gli scienziati hanno dimostrato che la flessibilità della vita non è solo un modo per sopravvivere a una brutta giornata; può essere la base per un intero nuovo modo di vivere.