Scienza. Genoma, virus e memoria: il 2018 della biologia.

Il tumultuoso passato del genoma umano, i virus come componente fondamentale della vita, gli enigmatici meccanismi della cognizione e della memoria: sono i temi più importanti che hanno segnato l'anno appena passato nel campo della biologia.


lescienze.it John Rennie/Quanta Magazine
La legge di Metcalfe, che afferma che il valore di una rete cresce con il quadrato del suo numero di nodi, è un pilastro della teoria delle telecomunicazioni. Ma riguarda anche la biologia, perché anche l'insieme delle connessioni della vita è una rete.

Ogni anno che passa porta alla luce nuove varietà di interconnessioni e relazioni tra la sempre più ampia diversità di organismi, cellule, geni e biomolecole noti alla scienza. A causa dell'evoluzione, possiamo vedere come la rete della vita si estende anche nel tempo, con connessioni genomiche che collegano organismi molto diversi tramite antenati comuni.

Abbiamo una comprensione sempre più approfondita dei principi matematici che governano il modo in cui tutte le "infinite forme bellissime" di Charles Darwin sopravvivono, si adattano, si moltiplicano e prosperano.

Nel 2018, i ricercatori hanno acquisito informazioni utili sulle collaborazioni genetiche che producono cellule viventi e sui meandri del passato genomicamente tumultuoso della vita.

Illustrazione della doppia elica del DNA. Recenti risultati portano a formulare nuove ipotesi sui geni e sulle loro funzioni. (Science Photo Library / AGF) 

I virus iniziano a sembrare meno parassiti, propaggini quasi-vive di cellule "reali" e più simili a una componente cruciale della vita stessa. Anche molti talenti nascosti condivisi da cellule complesse stanno diventando più evidenti.

E sebbene siamo lontani dal comprendere veramente la più intricata e potente rete biologica, il cervello, i neuroscienziati hanno compiuto progressi significativi nella comprensione di aspetti della cognizione e della memoria, tra molti altri traguardi.

Di quanti geni hanno bisogno le cellule?
Quando si identifica un gene, la domanda che sorge spontanea è: "Che cosa fa?" Quali caratteristiche o tratti il gene determina o almeno influenza?

Spesso è difficile dirlo, e una ricerca sul lievito pubblicata in aprile ha mostrato il perché: i geni funzionalmente interconnessi o ridondanti sono così tanti che la loro piena importanza è difficile da valutare se considerati da soli. Il lavoro corrobora una recente proposta radicale per un modello di genetica definito "onnigenico", in cui essenzialmente tutti i nostri geni esercitano un'influenza su ogni tratto.

Dove si nascondono gli indizi cronologici sulla storia antica della vita
Molti dei principali eventi evolutivi nella storia profonda della vita, centinaia di milioni o miliardi di anni fa, potrebbero essere stati causati da trasferimenti "orizzontali" (trasduzioni) di geni tra microrganismi differenti tra loro.

La registrazione di quegli eventi, in linea di principio, dovrebbe essere scritta nel DNA degli organismi, ma sembrava probabile che la natura caotica di quei trasferimenti avesse anche confuso i dettagli genomici al di là di ogni possibile ricostruzione.

Eppure quest'anno due gruppi di ricerca hanno dimostrato che questo problema è stato risolto. Uno ha sviluppato algoritmi per ricostruire l'ordine in cui si verificavano con più probabilità insiemi di trasferimenti orizzontali; l'altro ha esaminato attentamente la trasduzione di un particolare insieme di geni per dedurre quanto tempo fa sono evoluti i microrganismi che producono metano.

La straordinaria importanza dei trasferimenti genici orizzontali per l'evoluzione batterica è apparsa chiara in un annuncio di ottobre. Mentre studiava un tipo di batteriofago (un virus che infetta i batteri), un gruppo internazionale di ricercatori ha identificato un nuovo modo con cui i virus possono raccogliere frammenti di DNA batterico che potrebbero rendere i trasferimenti orizzontali mille volte più estesi. I trasferimenti orizzontali mediati da virus potrebbero infatti essere la principale spinta dell'evoluzione batterica.

Somiglianze di linguaggi
I virus stanno diventando sorprendentemente rilevanti anche per le comunicazioni intercellulari.

Le cellule comunicano abitualmente trasmettendo informazioni molecolari l'una all'altra, spesso tramite piccole vescicole extracellulari che somigliano decisamente a virus. Lavori recenti hanno dimostrato che la somiglianza è più che casuale.

I virus hanno dirottato alcuni meccanismi di comunicazione intercellulare per i loro scopi riproduttivi, ma le cellule hanno anche preso in prestito alcune molecole dai virus per perfezionare il processo di formazione delle vescicole.

I virus sono probabilmente una componente essenziale per la vita stessa: l'ipotesi emerge dalla loro somiglianza con le vescicole utilizzate dalle cellule per scambiarsi segnali. (Olena Shmahalo/Quanta Magazine) 

Come ha osservato uno degli scienziati che ha diretto questo lavoro, virus e vescicole extracellulari sembrano essere disposti su una sorta di continuum: può essere difficile dire categoricamente dove iniziano i virus e dove finiscono le vescicole extracellulari. (Le distinzioni tra virus e cellule diventano ancora più sfocate con la scoperta di un gruppo di virus giganteschi, più grandi di alcuni batteri, che hanno un insieme quasi completo dei geni necessari per la vita indipendente.)

Il segreto della ricrescita degli arti
Quando si tratta di guarire le ferite, nulla è più impressionante della capacità di alcuni organismi (ma ahimé, non degli umani adulti) di far ricrescere gli arti mancanti. L'impareggiabile campione della rigenerazione degli arti tra i vertebrati è la salamandra chiamata axolotl, e la scienza della rigenerazione ha fatto un grande passo in avanti all'inizio di quest'anno con la pubblicazione di una sequenza completa del genoma di un axolotl.

Un esemplare di Ambystoma mexicanum, meglio noto con il suo nome comune di axolotl (Science Photo Library / AGF)

Nel frattempo, studi correlati stanno esplorando l'idea non ortodossa che anche alcuni fenomeni bioelettrici, oltre a quelli biochimici, siano importanti durante lo sviluppo e la rigenerazione: alcuni dati suggeriscono che anche prima che il sistema nervoso funzioni, il cervello sfrutti segnali bioelettrici per guidare la crescita degli arti embrionali.

Predire il futuro per dare senso al presente
Capire come il cervello svolga compiti complessi di cognizione, percezione e memoria è una delle sfide più scoraggianti della scienza.

Una teoria controversa si basa sul concetto di codifica predittiva: lavorando a partire da un modello interno di realtà che prevede ciò che accadrà dopo, il cervello confronta costantemente le esperienze reali con le sue aspettative e quindi aggiorna il modello di conseguenza. È un'idea interessante, se i ricercatori riusciranno a capire in che modo il cervello potrebbe metterla in pratica.

Per ricordare, il cervello deve dimenticare attivamente
La memoria rappresenta un enigma formidabile persino tra i processi cognitivi.

Per decenni, i ricercatori hanno studiato come il cervello memorizza le informazioni sulle esperienze e gli errori di memoria sono stati spesso considerati semplici fallimenti del sistema. Questo potrebbe essere un errore: i neuroscienziati stanno accumulando prove che dimenticare è parte cruciale del nostro processo di apprendimento e che le tracce di memoria di nuove esperienze possono essere normalmente destinate a scomparire in modo automatico.

I meccanismi della memoria si basano su un continuo processo di oblio: è quanto emerso da recenti studi. (Toma Vagner for Quanta Magazine) 

Tuttavia, ciò non significa che i ricordi si possano sempre cancellare facilmente: monitorando quello che accade nel cervello durante i processi di apprendimento, alcuni ricercatori hanno osservato una riluttanza a rinunciare a modelli di risposta consolidati a favore di nuovi. E altri scienziati hanno avuto successo nel migliorare i ricordi di alcuni soggetti monitorando i loro ritmi cerebrali e applicando scosse precise al momento giusto.