Il fisico Nigel Goldenfeld odia la biologia: "Almeno non nella forma in cui me l'hanno insegnata a scuola", dice. “Era come una serie sconclusionata di fatti. Non c'era praticamente alcuna analisi quantitativa precisa ". Questo atteggiamento potrebbe sorprendere chiunque guardi ai tanti progetti a cui sta lavorando il laboratorio di Goldenfeld.
Lui ei suoi colleghi monitorano il comportamento collettivo e individuale delle api mellifere, analizzano i biofilm, osservano il salto dei geni, valutano la diversità della vita negli ecosistemi ed esplorano la relazione dei microbiomi.
Goldenfeld è a capo dell'Astrobiology Institute for General Biology della NASA, ma non trascorre la maggior parte del suo tempo nel dipartimento di fisica dell'Università dell'Illinois, ma nel suo laboratorio biologico nel campus di Urbana-Champaign.
Nigel Goldenfeld non è l'unico fisico che cerca di risolvere problemi in biologia. Negli anni '30 Max Delbrück ha cambiato il concetto di virus. Successivamente Erwin Schrödinger pubblicò What is Life? L'aspetto fisico di una cellula vivente”. Francis Crick, un pioniere della cristallografia a raggi X, ha contribuito a scoprire la struttura del DNA.
Goldenfeld vuole trarre vantaggio dalla sua conoscenza della teoria della materia condensata. Nello studio di questa teoria, simula lo sviluppo di un campione in un sistema fisico dinamico al fine di comprendere meglio vari fenomeni (turbolenze, transizioni di fase, caratteristiche delle rocce geologiche, mercato finanziario).
L'interesse per lo stato emergente della materia ha portato i fisici a uno dei più grandi misteri della biologia: l'origine della vita stessa. È da questo compito che si è sviluppato l'attuale ramo della sua ricerca.
"I fisici possono fare domande in modo diverso", è convinto Goldenfeld. “La mia motivazione è sempre stata quella di cercare in biologia aree in cui un tale approccio avrebbe senso. Ma per avere successo, devi lavorare con i biologi e, in effetti, diventarlo tu stesso. La fisica e la biologia sono ugualmente necessarie ".
Quanta ha parlato con Goldenfeld dei fenomeni collettivi in fisica e dell'espansione della teoria sintetica dell'evoluzione. Hanno anche discusso l'uso di strumenti quantitativi e teorici dalla fisica per sollevare il velo di mistero che circonda la prima vita sulla Terra e le interazioni tra cianobatteri e virus predatori. Quello che segue è un riassunto di questa conversazione.
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La fisica ha una struttura concettuale di base, mentre la biologia no. Stai cercando di sviluppare una teoria generale della biologia?
“Dio, ovviamente no. Non esiste un'unica teoria in biologia. L'evoluzione è la cosa più vicina che puoi portarci. La stessa biologia è il risultato dell'evoluzione; la vita in tutta la sua diversità e senza eccezioni si è sviluppata come risultato dell'evoluzione. È necessario comprendere veramente l'evoluzione come un processo per comprendere la biologia.
In che modo gli effetti collettivi del campo della fisica possono integrare la nostra comprensione dell'evoluzione?
Quando pensi all'evoluzione, di solito tendi a pensare alla genetica della popolazione, alla ripetizione dei geni in una popolazione. Ma se guardi l'Ultimo Antenato Comune Universale (l'organismo antenato di tutti gli altri organismi, che possiamo tracciare attraverso la filogenetica), capirai che questo non è l'inizio dell'origine della vita.
Prima di allora, c'era sicuramente una forma di vita ancora più semplice - una forma che non possedeva nemmeno i geni quando non c'erano ancora specie. Sappiamo che l'evoluzione è un fenomeno molto più ampio della genetica delle popolazioni.
L'ultimo antenato comune universale visse 3,8 miliardi di anni fa. Il pianeta Terra ha 4,6 miliardi di anni. La vita stessa ha viaggiato dall'inizio alla complessità della cellula moderna in meno di un miliardo di anni. Probabilmente anche più veloce: da allora, si sono verificati relativamente pochi sviluppi nell'evoluzione della struttura cellulare. Si scopre che l'evoluzione è stata lenta negli ultimi 3,5 miliardi di anni, ma molto veloce all'inizio. Perché la vita si è sviluppata così rapidamente?
Karl Woese (biofisico, morto nel 2012) e io credevamo che inizialmente lo sviluppo fosse avvenuto in modo diverso. Nella nostra epoca, la vita si evolve attraverso l'eredità "verticale": trasmetti i tuoi geni ai tuoi figli, loro, a loro volta, ai loro figli, e così via. Il trasferimento "orizzontale" di geni viene effettuato tra organismi che non sono collegati tra loro.
Questo sta accadendo ora nei batteri e in altri organismi con geni che non sono molto importanti nella struttura cellulare. Ad esempio, i geni che danno resistenza agli antibiotici - grazie a loro, i batteri acquisiscono protezione dai farmaci così rapidamente. Tuttavia, nelle prime fasi della vita, anche il meccanismo di base della cellula veniva trasmesso orizzontalmente.
In precedenza, la vita era uno stato cumulativo ed era più una comunità strettamente unita dallo scambio genico che una semplice raccolta di forme individuali. Ci sono molti altri esempi di stati collettivi, come una colonia di api o uno stormo di uccelli, in cui il collettivo sembra avere una propria personalità e comportamento, derivanti dagli elementi e dai modi in cui interagiscono. I primi anni di vita sono stati comunicati attraverso il trasferimento genico.
Come lo sai?
“Possiamo spiegare uno sviluppo così rapido e ottimale della vita solo se permettiamo l'effetto di questa“rete primitiva”e non l'albero [genealogico]. Circa 10 anni fa, abbiamo scoperto che questa teoria si applica al codice genetico, alle regole che dicono alla cellula quali amminoacidi utilizzare per produrre proteine. Ogni organismo del pianeta ha lo stesso codice genetico con differenze minime.
Negli anni '60, Karl fu il primo a concepire l'idea che il codice genetico che possediamo fosse il migliore possibile per ridurre al minimo gli errori. Anche se ottieni l'amminoacido sbagliato a causa di una mutazione o di un errore nel meccanismo di trasporto cellulare, il codice genetico determinerà accuratamente l'amminoacido che dovresti ricevere. Quindi, hai ancora la possibilità che la proteina che produci funzioni e il tuo corpo non morirà.
David Haig (Harvard) e Lawrence Hirst (University of Bath) sono stati i primi a dimostrare che questa idea può essere valutata qualitativamente utilizzando il metodo Monte Carlo: hanno cercato di scoprire quale codice genetico è più resistente a questo tipo di errore. E noi stessi siamo diventati la risposta. Questa è davvero una scoperta sorprendente, ma non così diffusa come dovrebbe essere.
Successivamente, io e Karl, insieme a Kalin Vestigian (Università del Wisconsin a Madison), abbiamo eseguito simulazioni virtuali di gruppi di organismi con molti codici genetici artificiali e ipotetici. Abbiamo creato modelli di virus informatici che imitavano i sistemi viventi: avevano un genoma, esprimevano proteine, potevano replicarsi, sopravvivere alla selezione e la loro adattabilità era una funzione delle loro stesse proteine.
Abbiamo scoperto che non solo i loro genomi si sono evoluti. Anche il loro anno genetico si è evoluto. Quando si parla di evoluzione verticale (tra generazioni), il codice genetico non diventa mai unico o ottimale. Ma quando si tratta dell'effetto "rete collettiva", il codice genetico si sta rapidamente evolvendo nello stato ottimale unico che osserviamo oggi.
Questi risultati e le domande su come la vita possa aver acquisito questi codici genetici così rapidamente, suggeriscono che dovremmo vedere segni di trasferimento genico orizzontale prima che nell'ultimo antenato comune universale, per esempio. E li vediamo: alcuni degli enzimi associati al meccanismo principale della traduzione cellulare e dell'espressione genica mostrano una forte evidenza del trasferimento genico orizzontale precoce.
Come puoi fare affidamento su queste conclusioni?
- Tommaso Biancalani ed io (ora al MIT) abbiamo condotto uno studio circa un anno fa - è stato pubblicato il nostro articolo su di lui - che la vita spegne automaticamente il trasferimento genico orizzontale non appena diventa abbastanza complicato. Quando simuliamo questo processo, fondamentalmente si spegne da solo. Si tenta di eseguire il trasferimento genico orizzontale, ma quasi nulla mette radici. Quindi l'unico meccanismo evolutivo dominante è l'evoluzione verticale, che è sempre stata presente. Stiamo ora provando a fare esperimenti per vedere se il kernel ha compiuto completamente la transizione dalla trasmissione orizzontale a quella verticale.
È a causa di questo approccio all'evoluzione iniziale che hai detto che dovremmo parlare in modo diverso di biologia?
Le persone tendono a pensare all'evoluzione come sinonimo di genetica delle popolazioni. Penso che questo sia, in linea di principio, corretto. Ma non proprio. L'evoluzione è avvenuta ancor prima che esistessero i geni e ciò non può essere spiegato da modelli statistici di genetica delle popolazioni. Esistono anche modi collettivi di evoluzione che devono essere presi sul serio (ad esempio, processi come il trasferimento genico orizzontale).
È in questo senso che la nostra comprensione dell'evoluzione come processo è troppo ristretta. Dobbiamo pensare a sistemi dinamici e come sia possibile che sistemi in grado di svilupparsi e riprodursi siano in grado di esistere. Quando pensi al mondo fisico, non è ovvio perché semplicemente non fai più cose morte.
Perché il pianeta ha la capacità di sostenere la vita? Perché esiste la vita? La dinamica dell'evoluzione dovrebbe essere in grado di risolvere questo problema. È interessante notare che non abbiamo nemmeno un'idea su come risolvere questo problema. E dato che la vita è iniziata come qualcosa di fisico, non biologico, esprime un interesse fisico.
Come si inserisce il tuo lavoro sui cianobatteri nell'applicazione della teoria della materia condensata?
- Il mio studente laureato Hong-Yang Shi e io abbiamo modellato un ecosistema di un organismo chiamato Prochlorococcus, un cianobatterio che vive nell'oceano e utilizza la fotosintesi. Penso che questo organismo possa essere l'organismo cellulare più abbondante del pianeta.
Ci sono virus, "fagi" che predano i batteri. Un decennio fa, gli scienziati hanno scoperto che questi fagi hanno anche geni per la fotosintesi. Di solito non pensi a un virus come a qualcuno che ha bisogno della fotosintesi. Allora perché portano questi geni?
“Sembra che batteri e fagi non si comportino esattamente come un modello predatore-preda. I batteri avvantaggiano i fagi. In effetti, i batteri potrebbero impedire ai fagi di attaccarli in vari modi, ma non lo fanno, almeno non del tutto. I geni fotosintetici dei fagi provenivano originariamente da batteri e, sorprendentemente, i fagi li hanno poi trasferiti di nuovo ai batteri. Negli ultimi 150 milioni di anni, i geni per la fotosintesi si sono spostati più volte tra batteri e fagi.
Si scopre che i geni si sviluppano molto più velocemente nei virus che nei batteri, perché il processo di replicazione dei virus è molto più breve e ha maggiori probabilità di commettere errori (la replicazione è il processo di sintesi di una molecola figlia di acido desossiribonucleico sul modello della molecola di DNA genitore - non di più).
Come effetto collaterale della caccia ai batteri, i geni batterici vengono talvolta trasportati nei virus, dove possono diffondersi, svilupparsi rapidamente e quindi tornare ai batteri, che possono quindi trarne beneficio. Pertanto, i fagi erano benefici per i batteri. Ad esempio, ci sono due ceppi di Prochlorococcus che vivono a diverse profondità. Uno di questi ecotipi è adattato per vivere più vicino alla superficie, dove la luce è molto più intensa e la differenza nelle sue frequenze è maggiore. Questo adattamento può essere dovuto al fatto che i virus si sono evoluti rapidamente.
Anche i virus beneficiano dei geni. Quando un virus infetta un host e si replica, il numero di nuovi virus che crea dipende da quanto tempo la cellula catturata può sopravvivere. Se il virus trasporta il sistema di supporto vitale (geni per la fotosintesi), può mantenere la cellula più a lungo per fare più copie del virus.
Un virus che trasporta geni per la fotosintesi ha un vantaggio competitivo su uno che non lo fa. Esiste una pressione crescente sui virus per trasferire i geni a beneficio dell'ospite. Ti aspetteresti che, poiché i virus mutano così rapidamente, i loro geni si "degradano" rapidamente. Ma come risultato dei calcoli, abbiamo scoperto che i batteri filtrano i geni "buoni" e li trasferiscono ai virus.
Pertanto, questa è una storia carina: l'interazione di questi batteri e virus assomiglia al comportamento di una sostanza in uno stato condensato: questo sistema può essere modellato per prevederne le proprietà.
Abbiamo parlato di un approccio fisico alla biologia. Hai visto il contrario quando la biologia ha ispirato la fisica?
- Sì. Sto lavorando sulla turbolenza. Quando torno a casa, è lei che mi tiene sveglio la notte. In un articolo pubblicato l'anno scorso su Nature Physics, Hong-Yan Shin, Tsung-Lin Sheng e io volevamo spiegare in dettaglio come un fluido in un tubo passa da uno stato plastico, dove scorre in modo regolare e prevedibile, a uno stato di turbolenza, dove il suo comportamento è imprevedibile. e sbagliato.
Abbiamo scoperto che prima della transizione, la turbolenza si comporta come un ecosistema. Esiste un regime dinamico speciale di flusso del fluido, simile a un predatore: cerca di "mangiare" la turbolenza, e l'interazione tra questo regime e la turbolenza risultante porta ad alcuni dei fenomeni che vedete quando il fluido diventa turbolento.
In definitiva, il nostro lavoro presume che un certo tipo di transizione di fase si verifichi nei liquidi, e questo è ciò che confermano gli esperimenti. Poiché il problema della fisica si è rivelato adatto a risolvere questo problema biologico - sul rapporto tra predatore e preda - Hong-Yan e io abbiamo saputo imitare e simulare un sistema e riprodurre ciò che le persone vedono negli esperimenti. Conoscere la biologia ci ha davvero aiutato a capire la fisica.
Esistono limitazioni per l'approccio fisico alla biologia?
- Esiste il pericolo di ripetere solo ciò che è noto, quindi non è possibile fare nuove previsioni. Ma a volte la tua astrazione o rappresentazione minimale viene semplificata e perdi qualcosa nel processo.
Non puoi pensare troppo teoricamente. Dovresti rimboccarti le maniche per studiare biologia, essere strettamente connesso con fenomeni sperimentali reali e dati reali.
Questo è il motivo per cui il nostro lavoro viene svolto in collaborazione con gli sperimentatori: insieme ai colleghi, ho raccolto microbi dalle sorgenti termali del Parco Nazionale di Yellowstone, osservato i geni "saltellanti" nelle cellule viventi in tempo reale, sequenziato (sequenziamento - determinazione della sequenza di amminoacidi o nucleotidi - ca. - microbioma intestinale dei vertebrati. Ogni giorno lavoro all'Istituto di Biologia Genomica, anche se la fisica è il mio campo "nativo".
Jordana Cepelewicz
La traduzione è stata realizzata dal progetto New
