An AI-assisted genomic census of 193,342 assemblies finds a GFP-barrel family in unreported lineages, carrying pseudogenes in both fungi and cnidarians

La vita sulla Terra si affida a una vasta, invisibile biblioteca di istruzioni genetiche, un codice scritto in quattro lettere chimiche che dice a ogni cellula come costruire se stessa. Per decenni, gli scienziati si sono concentrati sulle parti di questo codice che producono proteine attive e funzionanti, le macchine molecolari che alimentano tutto, dalla digestione alla vista. Ma una parte significativa del genoma viene spesso liquidata come "junk" (scarto), contenente istruzioni rotte o incomplete che non funzionano più. Nel mondo della biologia marina, una delle scoperte genetiche più famose è la proteina verde fluorescente, una molecola che brilla nel buio e che è diventata uno strumento standard per osservare il lavoro delle cellule in laboratorio. Questa proteina si ripiega in una forma robusta, simile a un barile, che intrappola un centro chimico luminoso. Per anni, i ricercatori hanno creduto che se questo barile fosse esistito senza il centro luminoso, sarebbe stato probabilmente solo un residuo evolutivo rotto e inutile.

Tuttavia, un nuovo studio sfida questa assunzione guardando molto più a fondo nel codice genetico rispetto al passato. Invece di affidarsi all'elenco delle proteine note e funzionanti, i ricercatori hanno scansionato i progetti genetici grezzi di quasi duecento mila diversi organismi. Erano alla ricerca di un modello specifico e nascosto: una proteina a forma di barile che conservava l'elaborata macchina interna della proteina luminosa, ma che aveva perso la parte luminosa stessa. Ciò che hanno trovato è una famiglia diffusa di questi barili non luminosi, che trasportano una specifica rete di cariche elettriche al loro interno, esistenti in lignaggi di vita che non erano mai stati sospettati di possederli. Lo studio rivela che queste proteine non sono solo detriti genetici casuali; in molti casi, vengono accuratamente preservate dall'evoluzione, suggerendo che svolgano un compito vitale, ancora da scoprire, nell'oscurità.

La ricerca è iniziata con una domanda semplice ma massiccia: quanto lontano arriva questa specifica famiglia di proteine a barile attraverso l'albero della vita? Gli studi precedenti avevano guardato solo alle proteine che le cellule avevano già costruito e catalogato, perdendo qualsiasi istruzione genetica che fosse rotta o incompleta. Per trovare l'immagine completa, il team ha utilizzato una ricerca assistita dal computer che leggeva il DNA di 193.342 diversi assemblaggi genomici in ogni direzione possibile. Questo approccio ha permesso loro di individuare sequenze genetiche che somigliavano alla proteina a barile anche se contenevano errori che avrebbero impedito alla cellula di produrre il prodotto finale. La ricerca ha restituito quasi quattrocento posizioni nel genoma che corrispondevano al modello. Quando i ricercatori hanno filtrato questi risultati per trovare quelli che trasportavano la completa e nascosta rete elettrica all'interno del barile, hanno identificato 140 posizioni distinte. Queste posizioni appartenevano a 77 diversi tipi di organismi, espandendo significativamente l'intervallo noto di questa famiglia di proteine.

Tra le nuove scoperte c'erano organismi che non erano mai stati collegati a questa famiglia prima d'ora. La ricerca ha scoperto queste proteine a barile in antichi gruppi di spugne, in un tipo di medusa noto come coronato, e persino in organismi unicellulari chiamati archaea che vivono in ambienti estremi. Forse più sorprendentemente, il team ha trovato queste proteine nei funghi, un gruppo di organismi che include funghi e muffe. Nei campioni fungini, i ricercatori hanno scoperto che un numero sostanziale di queste istruzioni genetiche era interrotto, portando errori che avrebbero impedito loro di funzionare. Questo schema di copie rotte è stato osservato anche nelle meduse e nei parenti dei coralli, suggerendo che, sebbene la proteina sia utile in alcuni lignaggi, si stia decomponendo in altri. Lo studio ha utilizzato un metodo di ricostruzione evolutiva per mosttere che in un gruppo specifico di muffe nere il gene è stato perso indipendentemente molte volte, indicando che non è essenziale per la loro sopravvivenza.

Nonostante le copie rotte, le parti del genoma che rimanevano intatte raccontavano una storia diversa. Negli organismi in cui il gene era ancora integro, il DNA mostrava segni di essere sotto una stretta pressione evolutiva per rimanere invariato. Ciò significa che qualsiasi cambiamento casuale nella struttura della proteina veniva eliminato dalla selezione naturale, un segnale forte che la proteina sta facendo qualcosa di importante. In un tipo di corallo, il gene era stato addirittura copiato undici volte di seguito, un segno che l'organismo si affida pesantemente ad esso. I ricercatori hanno anche scoperto che in due diversi gruppi di batteri, questi geni a barile si trovavano all'interno di elementi genetici mobili, come virus che infettano i batteri o geni saltellanti che si muovono nel genoma. Ciò suggerisce che il gene possa spostarsi tra diverse specie di batteri, un processo che potrebbe aiutarlo a diffondersi in nuovi ambienti.

Lo studio ha anche esaminato da vicino la composizione chimica di queste proteine. Nella famosa proteina luminosa, un amminoacido specifico chiamato tirosina è essenziale per creare la luce. In questa nuova famiglia scoperta, quella tirosina è sostituita da diversi amminoacidi non luminosi. Nelle versioni fungine e batteriche, il punto è solitamente occupato dalla valina, mentre nelle versioni animali è spesso occupato dalla fenilalanina. Questa sostituzione costante suggerisce che la proteina si sia evoluta per una nuova funzione che non coinvolge la luce. I ricercatori hanno misurato le distanze tra le cariche elettriche interne e hanno scoperto che la disposizione in questa famiglia è distinta da quella delle proteine luminose, confermando ulteriormente che si tratta di un gruppo unico. Sebbene il compito esatto di queste proteine rimanga un mistero, la prova che esse siano preservate in alcune specie e perse in altre punta a un ruolo specializzato che varia attraverso l'albero della vita.

Uno dei risultati più intriganti è stata la presenza di queste proteine in organismi che non le hanno nei loro cataloghi proteici. Poiché la ricerca guardava direttamente al DNA, ha trovato istruzioni genetiche che erano state trascurate dai metodi tradizionali. Ad esempio, lo studio ha trovato questi barili in un gruppo di alghe microscopiche che vivono all'interno di altri animali marini e in un tipo di spugna che non era mai stato segnalato come portatore di essi. I ricercatori sono stati attenti a escludere la possibilità che si trattasse di semplici contaminanti provenienti da altri organismi, utilizzando molteplici controlli per garantire che i geni appartenessero realmente all'ospite. Hanno anche scoperto che in alcuni casi, le versioni rotte del gene venivano comunque lette dalla cellula, anche se non potevano produrre una proteina funzionante, il che aggiunge un altro livello di complessità a come queste istruzioni genetiche vengono utilizzate.

Il lavoro non pretende di aver risolto il mistero di ciò che queste proteine fanno. Al contrario, fornisce una mappa chiara di dove si trovano e di come cambiano nel tempo. I ricercatori suggeriscono che il passo successivo sia quello di costruire effettivamente queste proteine in laboratorio e testarle per vedere quali reazioni chimiche possono compiere. Fino ad allora, lo studio si pone come una potente dimostrazione di come guardare direttamente al codice genetico grezzo, piuttosto che solo ai prodotti finiti, possa rivelare capitoli nascosti della storia evolutiva. Dimostra che la natura spesso conserva macchine molecolari complesse anche dopo che hanno perso la loro funzione originale, riutilizzandole per nuovi ruoli invisibili negli angoli oscuri del mondo vivente.