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Se possiamo fare il vino, dobbiamo ringraziare l’estinzione dei dinosauri?

di Paolo Neyroz

La domanda formulata nel titolo può sembrare incomprensibile, se non addirittura bizzarra, ma alla luce dei risultati di alcuni scienziati delle Università della Florida e della Nord Carolina coordinati dal Dott. Steven A. Benner (“Resurrecting ancestral alchol dehydrogenases from yeast”, Nature Genetics, 2005, 37:630-635) può esserne una logica conseguenza.

Partiamo dal tipo di ricerca che Steven Benner ha sviluppato negli anni: la paleontogenetica. Una disciplina che, come Benner lascia ironicamente intendere in uno dei suoi scritti, è l’unica scienza che non ha una materia di studio. In altre parole, quello che studia non esiste ancora o… non esiste più. La metafora filmica che lui stesso preferisce è quella di un film di fantascienza del 1994 con Donald Sutherland, “The puppet masters”, il burattinaio. In quel film, Mary, una scienziata al servizio dell’agenzia spaziale, alla domanda di un funzionario del governo: “dimmi Mary cosa fai tu per la NASA?”, risponde: “sono specializzata in exobiologia, studio come potrebbero essere le forme di vita aliena”. Tornando al mondo del reale, la scienza che è più vicina alla professione di Mary è la biologia sintetica che, per sintesi chimica, cerca di generare molecole che riproducono il complesso comportamento dei sistemi viventi.

La paleontogenetica è affine alla biologia sintetica nel senso che si occupa di qualcosa che non esiste più (non di qualcosa che non esiste ancora), ma di cui conserviamo una traccia. Studia la possibile struttura che avevano i geni antenati di quelli che possiamo osservare e studiare ora. La paleontogenetica cerca di individuare l’evoluzione dei geni e delle proteine perché, parafrasando ancora Benner: “possiamo ottenere una migliore conoscenza delle molecole biologiche se, oltre alla loro struttura, conosciamo anche la loro storia”.

Questa disciplina, applicando le tecnologie del “DNA ricombinante” (ovvero prendere un filamento di DNA e modificarlo a piacimento secondo precise strategie) si propone di risalire (resuscitare) ai geni dei nostri antenati e analizzare la funzione delle proteine che da essi derivano. Nella pratica si tratta di seguire a ritroso il percorso (individuato secondo metodologie scientificamente rigorose) che dai geni attuali, evoluti, conduce ai geni originali. Per esempio, alla biforcazione evolutiva tra specie diverse. Una volta individuato il gene, lo si può clonare (sintetizzare), produrne la proteina da esso codificata e studiarne la funzione. Un po’ come se, dalla ruota di una attuale vettura, potessimo risalire a come doveva essere la prima ruota inventata e vedere come essa funzionava.

In questo ambito della ricerca scientifica, gli autori dello studio si sono dedicati all’analisi dell’evoluzione del gene dell’alcoldeidrogenasi del lievito Saccharomyces cerevisiae. Si tratta dell’enzima, della proteina, responsabile della tappa finale della fermentazione alcolica nei lieviti (vedi figura). Uno dei processi fondamentali della complessa chimica alla base della produzione del vino. Un gene che, comunque, ha lasciato tracce non sempre facili da comprendere se, come possiamo osservare oggi, è presente in diversissime specie, dai lieviti alla Drosofila melanogaster (il comune moscerino della frutta), fino all’uomo.

Nella fermentazione alcolica l’alcoldeidrogenasi è l’attore ultimo, il finalizzatore dell’azione: il centravanti. E come nel calcio possono esistere diverse versioni di quel ruolo, così esistono diverse forme di alcoldeidrogenasi. Esiste il centravanti bomber che gioca soprattutto in avanti, quello di manovra che fa fare goal anche ad altri compagni e quello generoso che torna indietro a difendere. Nel caso dell’alcoldeidrogenasi, quella dei lieviti “moderni” si può paragonare al centravanti di manovra. In Saccharomyces cerevisiae, infatti, non esiste un solo gene dell’alcoldeidrogenasi, ma ne esistono due tipi (vedi figura); l’Adh1, che promuove la conversione di aldeide acetica in etanolo e l’Adh2 che catalizza la reazione inversa. Di contro, l’alcoldeidrogenasi umana può essere paragonata al centravanti generoso. Sa solo tornare indietro, trasformando l’etanolo in aldeide acetica. Difende, ci difende dalla potenziale tossicità dell’alcol che possiamo tollerare perché può essere convertito in aldeide acetica e di qui ad acetato per entrare nelle diverse vie di produzione dell’energia metabolica. In generale, possiamo dire che l’unica strategia dell’uomo nei confronti dell’etanolo è quella di consumarlo.

Tornando ai lieviti, in Saccharomyces cerevisiae l’etanolo ha destini ben più complessi: Può essere ben tollerato perché l’Adh2 fa sostanzialmente il lavoro della deidrogenasi umana, lo può produrre perché l’Adh1 è molto attiva nel convertire l’aldeide acetica in etanolo e lo può accumulare per poi riutilizzarlo a scopo energetico grazie alla funzione dell’Adh2. Inoltre, poichè molti microorganismi non possono sopravvivere in presenza di etanolo, la molecola accumulata aiuta il lievito a difendere le risorse nutrienti presenti nella frutta dalla competizione di altri organismi (per esempio batteri e moscerini). Al contrario dell’uomo, possiamo definire questa strategia dei lieviti nei confronti dell’etanolo con la triade: Produrre-accumulare-consumare.

Venendo allo studio degli scienziati americani e osservando che la coppia dei geni dell’alcoldeidrogenasi di Saccharomyces cerevisiae porta i segni inconfondibili della duplicazione di un gene singolo, essi si sono posti il problema di quale potesse essere la struttura di questo gene ancestrale e quale la funzione della proteina ad esso associata. In altre parole, come funzionava l’antenato dell’attuale alcoldeidrogenasi? Come l’Adh1? Oppure come l’Adh2? I risultati della ricerca hanno portato all’individuazione di un gene “comune denominatore” che hanno chiamato AdhA, ne hanno purificato il prodotto proteico e analizzato le proprietà. Ebbene, l’archeo-enzima si comporta come l’Adh1, non come l’Adh2. Quindi, l’antenato del Saccharomyces cerevisiae sapeva solo fare l’etanolo, ma non era in grado di accumularlo. L’identificazione del gene AdhA e l’attribuzione della sua primitiva funzione ha sollevato una ulteriore e più vasta domanda dal punto di vista “storico”: la duplicazione del gene in Adh1-Adh2 e, presumibilmente, la comparsa della strategia “produrre-accumulare-consumare” è stata dovuta ad una precisa azione di pressione selettiva?

A questo tipo di domanda vi sono modelli di riferimento abbastanza affidabili per restringere il campo delle ipotesi. Una di queste avrebbe potuto attribuire l’effetto alla domesticazione dei lieviti da parte dell’uomo. Dove, con il termine domesticazione, si intende la spinta selettiva operata dalla presenza dell’uomo nei confronti di organismi viventi che ne condividono l’ambiente (per es. lo sviluppo di specie vegetali domesticate, a discapito di quelle selvatiche, quando è iniziata l’agricoltura). L’epoca geologica di questo evento viene posta tra i 2,5 e i 3 milioni di anni fa. In alternativa, la nuova strategia biochimica e la duplicazione del gene si sarebbero potute riferire alla comparsa dei frutti carnosi. I fleshy fruits, nell’accezione anglosassone, hanno rappresentato una fonte di sostanze nutritive del tutto nuova e abbondante per i lieviti e, quindi, una risorsa importante da difendere con l’accumulo di etanolo. Di contro, questa epoca geologica la si può far risalire al periodo del Cretaceo, dopo la comparsa delle prime angiosperme (125 milioni), ma prima della estinzione dei dinosauri, circa 65 milioni di anni fa.

Di conseguenza, per distinguere fra le due ipotesi è stata verificata la probabile data della duplicazione del gene AdhA. L’analisi topologica dell’albero evolutivo pone questo periodo prima della divergenza tra le specie di Saccharomyces, ma dopo la divergenza tra Saccharomyces e Kluyveromyces, stimata intorno a 80 milioni di anni fa. Gli autori hanno, quindi, definito con una certa ragionevolezza il momento della duplicazione tra i 60 e gli 80 milioni di anni fa. Questa data, da un lato esclude l’ipotesi dell’intervento umano nella selezione genetica di quei lieviti, dall’altro indica che la comparsa della capacità di Saccharomyces cerevisiae di accumulare etanolo può essere messa in relazione con altri cambiamenti dell’ecosistema alla fine dell’era del Cretaceo. In particolare, all’estinzione dei dinosauri, alla comparsa di mammiferi e a quella dei moscerini della frutta. Con la prima, possiamo immaginare che una grande abbondanza di frutta sia rimasta a disposizione, con la conseguente necessità di conservarla più a lungo, quando, caduta dall’albero, ne inizia la decomposizione. Non a caso, iniziata la fermentazione alcolica, Saccharomyces cerevisiae diventa dominante. Infatti, lo stress osmotico, il mutamento del pH, ma soprattutto l’accumulo di etanolo mettono in fuga gli eventuali antagonisti. Tranne uno, che come si è detto è comparso insieme alla duplicazione di AdhA: il moscerino della frutta. Nemico del vinificatore, la Drosofila melanogaster ha sviluppato una sua alcoldeidrogenasi, che non è correlata strutturalmente a quella dei lieviti, ne a quella dei mammiferi. D’altra parte, il moscerino doveva trovare un modo per vivere in mezzo a tutto quell’alcol! In compenso, ha fatto la felicità degli amanti dell’aceto.

Il professor Paolo Neyroz lavora al Dipartimento di Biochimica “G. Moruzzi” dell’Università di Bologna

 

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