Understanding single nucleotide polymorphism (SNP) in pyruvate dehydrogenase E1 and E2 component in different bacterial species

La vita è una costante negoziazione tra un organismo e il suo ambiente circostante. Per sopravvivere, i batteri devono mantenere il proprio macchinario interno in perfetto stato di funzionamento, anche mentre il mondo esterno cambia temperatura, acidità e disponibilità di cibo. Un pezzo critico di questo macchinario è un enzima chiamato piruvato deidrogenasi, che funge da hub centrale, convertendo i nutrienti nell'energia di cui le cellule hanno bisogno per funzionare. Questo enzima è costruito da due parti principali, note come componenti E1 ed E2. Con il passare del tempo, il codice genetico che costruisce queste parti può cambiare leggermente. Questi minuscoli cambiamenti, in cui una singola lettera dell'alfabeto genetico viene scambiata con un'altra, sono chiamati polimorfismi a singolo nucleotide. Sebbene alcuni di questi scambi siano innocui, altri possono alterare la forma e la funzione dell'enzima, potenzialmente aiutando i batteri ad adattarsi a nuove sfide o, al contrario, causando loro difficoltà. Comprendere dove avvengono questi cambiamenti e con quale frequenza si verificano offre una finestra su come i batteri si stiano evolvendo proprio ora per rispondere alle richieste di un mondo che cambia.

In uno studio recente, un ricercatore della National University of Singapore ha cercato di mappare questi cambiamenti genetici attraverso diversi tipi di batteri. L'obiettivo era vedere come i geni per le parti E1 ed E2 dell'enzima piruvato deidrogenasi differissero tra Escherichia coli, che fungeva da punto di riferimento standard, e altre tre specie: Klebsiella pneumoniae, Salmonella enterica e Vibrio cholerae. Per farlo, il ricercatore ha scritto un programma informatico personalizzato in grado di scansionare le sequenze genetiche di questi batteri fianco a fianco. Il software agiva come un editor meticoloso, leggendo il codice genetico del batterio di riferimento e confrontandolo lettera per lettera con i codici delle altre specie. Ogni volta che trovava una discrepanza, registrava la posizione e il tipo specifico di cambiamento. Questo processo ha permesso di ottenere un profilo dettagliato di dove si concentravano le mutazioni e di quante ne esistessero in totale.

I risultati hanno rivelato una differenza sorprendente nel modo in cui questi batteri si stanno evolvendo. Osservando la componente E1 dell'enzima, Klebsiella pneumoniae e Salmonella enterica hanno mostrato un numero relativamente basso di cambiamenti rispetto al riferimento. Le loro sequenze genetiche erano per lo più stabili, con mutazioni che apparivano in gruppi sparsi separati da ampi tratti di codice invariato. Questo schema suggeriva che queste due specie non avessero sentito una forte pressione nel modificare questa specifica parte del loro enzima. Al contrario, Vibrio cholerae raccontava una storia diversa. Questa specie presentava un numero significativamente più alto di cambiamenti nella sua componente E1 — circa quattro volte superiore rispetto alle altre due. Inoltre, questi cambiamenti non erano dispersi in interruzioni, ma erano distribuiti uniformemente in tutto il gene. Questa distribuzione uniforme suggerisce che Vibrio cholerae sia sottoposto a un'intensa pressione per rimodellare questa parte del suo enzima, probabilmente alla ricerca di una nuova struttura che funzioni meglio nelle attuali condizioni ambientali.

Il quadro è diventato più complesso quando il ricercatore ha esaminato la componente E2. Qui, tutte e tre le specie non di riferimento hanno mostrato una quantità massiccia di cambiamenti genetici. Ogni specie portava centinaia di mutazioni nei propri geni E2, con i cambiamenti che apparivano in numeri approssimativamente uguali per tutti e quattro i tipi di lettere genetiche. A differenza della componente E1, dove alcune specie erano stabili, i geni E2 erano costellati di cambiamenti dall'inizio alla fine. I dati indicano che questi batteri stanno attraversando un periodo di rapida evoluzione in quest'area specifica. Il volume enorme e la diffusione uniforme delle mutazioni suggeriscono che l'attuale forma della componente E2 non sia del tutto adatta al mondo moderno. I batteri sembrano stare sperimentando innumerevoli variazioni attraverso l'intera struttura proteica, alla ricerca di una configurazione che possa gestire i mutevoli paesaggi nutrizionali e i fattori ambientali come temperatura e pH.

In definitiva, lo studio punta verso un batterio in mutamento. I risultati suggeriscono che, mentre alcune parti dell'enzima piruvato deidrogenasi rimangono stabili in certe specie, altre sono in una fase frenetica di assestamento. L'enzima sembra faticare a trovare la forma perfetta per funzionare efficientemente nell'ambiente odierno. La diffusione uniforme delle mutazioni attraverso i geni, particolarmente nella componente E2, implica che non esiste ancora una soluzione singola e facile che i batteri abbiano trovato. Invece, essi stanno esplorando un'ampia gamma di possibilità, guidati dalla necessità urgente di adattare il proprio macchinario di produzione energetica a un mondo che sta cambiando più velocemente di quanto la loro biologia possa facilmente tenere il passo.