Simmetrie nel DNA spiegate dalla fisica
Come mai nel DNA le quattro basi azotate (adenina, timina, citosina e guanina) presentano una particolare simmetria? C’è sotto una regola biologica legata all’evoluzione o c’entra la fisica? La risposta sembra essere nel concetto di entropia.
La maggior parte degli organismi viventi utilizza il DNA a doppio filamento per tramandare il proprio codice genetico alle generazioni future e questa informazione biologica è il principale mezzo attraverso cui agisce l’evoluzione.
Tuttavia, all’interno del DNA, esistono delle particolari simmetrie che risultano difficilmente spiegabili attraverso la sola teoria evolutiva della selezione naturale.
Facciamo una piccola parentesi per capire di che simmetrie stiamo parlando e chi è Erwin Chargaff che le ha descritte rigorosamente.
Erwin Chargaff fu un chimico austriaco che osservò alcune simmetrie sulla presenza delle quattro basi azotate presenti nella molecola di DNA, adenina (A), timina (T), guanina (G) e citosina (C), ed enunciò delle regole che sono ricordate con il suo nome.
- La prima regola di Chargaff sostiene che una molecola di DNA a doppio filamento, in tutti gli organismi viventi, mostra un’eguaglianza tra le coppie di basi tali che numero basi A = numero basi T, e numero basi G = numero basi C. La rigorosa convalida della regola costituisce la base delle coppie descritte da James Watson e Francis Crick nel modello a doppia elica del DNA.
- La seconda regola di Chargaff sostiene invece che anche sul singolo filamento di una molecola di DNA a doppio filamento il numero A è simile al numero di T, ed il numero di C è simile al numero di G.
Nel 2006 si è dimostrato che la seconda regola di Chargaff è valida per quattro dei cinque tipi di genoma con DNA a doppio filamento esistenti: quello eucariotico, procariotico (o batterico), quello virale e quello degli archebatteri. Non è invece applicabile per i genomi dei mitocondri e dei cloroplasti. Non vale inoltre neanche per i genomi di DNA a singolo filamento (presenti soltanto in alcuni virus).
La seconda regola di Chargaff è un mistero da oltre 50 anni.
Mentre la prima regola di Chargaff è spiegata dalla struttura biochimica stessa del DNA per cui, trattandosi di molecole complementari che si accoppiano solo in un determinato modo, è ovvio che il loro rapporto sia, per ogni coppia, 1:1, la seconda regola della parità di Chargaff è un mistero da oltre 50 anni.
Negli ultimi anni, molti gruppi di ricerca hanno cercato di chiarire il principio dietro il quale si nascondeva una così regolare e simmetrica distribuzione delle basi azotate sul singolo filamento.
Le simmetria trovate nel singolo filamento del DNA possono essere spiegate con il principio di massima entropia.
Ora, un gruppo di ricercatori ha scoperto che le simmetrie trovate all’interno del genoma possono emergere dalle peculiarità fisiche della molecola di DNA a doppia elica stessa e dal solo principio della massima entropia, piuttosto che dalla pressione biologica o evolutiva.
Il professor Piero Fariselli dell’Università di Torino in collaborazione con i professori Cristian Taccioli, Luca Pagani e Amos Maritan dell’Università di Padova, ha creato un modello matematico in grado di spiegare l’origine della seconda regola di parità di Chargaff.
Piero Fariselli, professore del Dipartimento di Scienze Mediche dell’Università di Torino spiega:
Attraverso una collaborazione multidisciplinare che ha coinvolto biologi e fisici teorici, siamo riusciti a teorizzare un approccio fisico per descrivere l’evoluzione del genoma. Le caratteristiche strutturali della doppia elica del DNA e la consapevolezza del ruolo cruciale che ha l’entropia in ogni processo fisico, ci hanno permesso di risolvere finalmente questo enigma.
L’idea dei ricercatori è che il materiale genetico, come ogni sistema nell’universo, evolva verso uno stato di disordine crescente (entropia) in modo tale da raggiungere un equilibrio e quindi una maggiore stabilità strutturale.
I riarrangiamenti genomici che massimizzano l’entropia sono favoriti nell’evoluzione perché stabilizzano il DNA.
I risultati mostrano come i riarrangiamenti genomici che massimizzano l’entropia siano favoriti durante l’evoluzione degli organismi viventi perché stabilizzano la molecola di DNA.
Molto spesso viene scambiato il concetto di casuale con quello di uniforme. Il caso può produrre strutture molto complesse. Per esempio, se un cannone sparasse sassi dalla cima di una montagna in tutte le direzioni in modo casuale, si troverebbero sassi più frequentemente nelle valli che in cima ai monti circostanti. Questo è un processo casuale che per effetto della forza di gravità genera addensamenti inspiegabili guardando dall’alto e senza conoscerne l’origine.
Analogamente, molte delle simmetrie che si riscontrano nelle sequenze del DNA hanno origine casuale, ma appaiono eccezionali a causa dell’interazione della doppia elica.
Fariselli spiega meglio:
Abbiamo introdotto un nuovo paradigma tale per cui l’energia libera della doppia elica è il primo obiettivo su cui agiscono le forze evolutive per modellare la struttura del genoma.
Il DNA viene spesso definito come un libro in cui l’inchiostro rappresenta l’informazione biologica codificata dalle basi azotate. Con questo lavoro viene posta l’enfasi anche sulla carta del libro. Le eccezioni a questa tendenza potrebbero, inoltre, offrire l’opportunità futura di misurare il contenuto energetico dell’evoluzione.
Il lavoro, pubblicato su Briefings in Bioinformatics, potrebbe avere anche un impatto sulle più moderne tecnologie in ambito biotecnologico e fornire in futuro approfondimenti cruciali nei campi della ricerca incentrati sulla comprensione della struttura dei genomi e sulla loro evoluzione.