Codice genetico stravolto da un microrganismo di stagno

Un esperimento di routine condotto su un organismo microscopico proveniente da un tranquillo stagno d’acqua dolce ha portato gli scienziati a una straordinaria scoperta genetica. Si è scoperto che questa minuscola creatura interpreta le istruzioni del DNA in un modo mai documentato prima dai ricercatori, mettendo in discussione una regola ritenuta fino a oggi quasi universale nel funzionamento della biologia molecolare.

Sorpresa inaspettata tra le acque di Oxford

La storia ha inizio nei tranquilli giardini degli Oxford University Parks, in Inghilterra. Il dottor Jamie McGowan, allora ricercatore post-dottorato presso l’Earlham Institute, stava lavorando insieme ai colleghi dell’istituto e al gruppo di ricerca guidato dal professor Thomas Richards dell’Università di Oxford.

Il loro obiettivo primario non era ridefinire le teorie sull’evoluzione biologica. L’intento era molto più pratico: testare e perfezionare un metodo di sequenziamento del DNA a singola cellula (tecnica nota anche come single-cell genomics). Questo approccio d’avanguardia permette di leggere e analizzare l’intero patrimonio genetico estraendo materiale da una sola cellula, rendendo accessibile lo studio di organismi cellulari rari che non possono essere facilmente coltivati in laboratorio.

Per mettere alla prova questa tecnologia, i ricercatori hanno prelevato un campione d’acqua da uno stagno locale e isolato un protista. Quando hanno assemblato ed esaminato il suo genoma, gli scienziati si sono trovati di fronte a un risultato del tutto inatteso. L’organismo, appartenente a una specie sconosciuta denominata Oligohymenophorea sp. PL0344, leggeva il proprio DNA seguendo regole mai viste prima.

Come ha ricordato con stupore il dottor McGowan, è stata pura fortuna aver scelto proprio quel protista per testare la procedura di sequenziamento, a dimostrazione di quanta complessa biodiversità si nasconda ancora nel mondo microscopico.

Funzionamento tradizionale delle istruzioni cellulari

Per comprendere la portata di questa scoperta scientifica, occorre ricordare come le cellule di quasi tutti gli esseri viventi trasformano il DNA in proteine.

Il DNA funziona come un vero e proprio manuale d’istruzioni. Quando la cellula ha bisogno di fabbricare una proteina, una porzione di DNA viene copiata in una molecola intermedia chiamata RNA messaggero (mRNA). A questo punto entra in gioco il ribosoma, la fabbrica molecolare della cellula, che scorre lungo il filo di mRNA e legge le sue lettere tre a tre.

Ogni triplette di lettere prende il nome di codone. La maggior parte dei codoni specifica uno dei 20 amminoacidi naturali, che vengono agganciati uno dopo l’altro per formare una lunga catena. Una volta completata, la catena si ripiega su se stessa assumendo una forma tridimensionale ed entrando in funzione come enzima, struttura di supporto o molecola di trasporto.

I segnali che regolano questa catena di montaggio molecolare sono precisi:

• Codone di inizio: generalmente la sequenza ATG sul DNA (che diventa AUG sull’RNA), la quale indica al ribosoma dove iniziare a costruire la proteina.

• Codoni di stop: tradizionalmente rappresentati dalle triplette TAA, TAG e TGA sul DNA. Quando vengono trascritte nell’RNA, la timina (T) si trasforma in uracile (U), diventando UAA, UAG e UGA.

Questi codoni di stop funzionano esattamente come i punti alla fine delle frasi. Avvisano il ribosoma che la proteina è completa e che la catena di amminoacidi deve essere rilasciata.

Regole del codice genetico infrante da Oligohymenophorea sp. PL0344

Nel protista Oligohymenophorea sp. PL0344, lo studio pubblicato sulla rivista scientifica PLOS Genetics nell’ottobre del 2023 ha dimostrato che due di questi tre tradizionali segnali di stop avevano completamente cambiato mestiere.

Per decenni i biologi hanno saputo che in alcuni organismi eccezionali le funzioni dei codoni possono variare. Tuttavia, fino al 2023 vigeva una regola ritenuta ferrea: le triplette UAA e UAG cambiavano sempre in modo combinato, ossia evolvevano in tandem. Se smettevano di essere segnali di stop, entrambe venivano riassegnate per codificare lo stesso identico amminoacido.

Il genoma di Oligohymenophorea sp. PL0344 ha infranto questo dogma evolutivo:

• Il codone TAA (UAA) è stato riassegnato per inserire l’amminoacido lisina.

• Il codone TAG (UAG) è stato riassegnato per inserire l’amminoacido acido glutammico.

• Il codone TGA (UGA) è rimasto l’unico e solo segno di stop attivo all’interno dell’organismo.

Si tratta del primo caso documentato nella storia della biologia in cui i due codoni UAA e UAG specificano due amminoacidi differenti. La scoperta ha confermato che la relazione evolutiva tra queste due triplette non è affatto rigida, aprendo nuovi scenari sullo studio della sintesi proteica.

Meccanismi molecolari per la gestione dell’insolito codice

Un’alterazione così profonda nelle regole di lettura del DNA potrebbe causare il caos all’interno di una cellula. Per verificare che non si trattasse di un semplice errore di lettura o di sequenziamento, il team di ricerca ha analizzato i dettagli molecolari dell’organismo.

I ricercatori hanno individuato la presenza di molecole modificate di tRNA (RNA di trasferimento). I tRNA fungono da veri e propri dizionari cellulari, legando da un lato il codone sull’RNA messaggero e portando dall’altro l’amminoacido corrispondente. La presenza di tRNA soppressori specifici con anticodoni modificati ha fornito la prova provata che il nuovo codice genetico era reale e perfettamente funzionante.

Affidarsi a un solo codone di stop (UGA) comporta però dei rischi. Se il ribosoma dovesse ignorare accidentalmente il segnale, continuerebbe a produrre la proteina oltre il dovuto, danneggiandola. L’analisi genomica ha rivelato una soluzione geniale:

1. Nelle regioni subito successive ai geni, note come regioni $3’$ non tradotte, è stata riscontrata un’altissima concentrazione di codoni UGA ripetuti.

2. Questi segnali di stop di riserva bloccano immediatamente il ribosoma nel caso in cui superi il primo punto di arresto, garantendo la stabilità delle proteina prodotte.

Scoperte successive nell’oceano e nei ghiacci marini

La scoperta iniziale ha spinto gli scienziati a porsi una domanda ancora più grande: quanti altri microrganismi sul pianeta utilizzano un codice genetico non convenzionale?

Nel dicembre del 2024, un secondo studio condotto da Jamie McGowan e pubblicato sempre su PLOS Genetics ha fornito nuove risposte. Analizzando i dati metagenomici della celebre spedizione marina TARA Oceans, il team ha esplorato il genoma di un gruppo di ciliati chiamati Phyllopharyngea provenienti dall’Oceano Artico e dall’Antartide.

I dati hanno rivelato che il fenomeno dell’evoluzione divergente del codice genetico è molto più comune di quanto si pensasse:

• Tre specie marine mai coltivate prima usavano il codone UAG per codificare l’amminoacido leucina.

• Riesaminando i dati di due ciliati già noti, Hartmannula sinica e Trochilia petrani, gli scienziati hanno scoperto che in queste specie UAG traduca invece l’amminoacido glutammina.

• In tutte queste specie, il codone UAA ha mantenuto la sua funzione classica di segnale di stop.

L’analisi filogenetica ha dimostrato che questi cambiamenti genetici si sono verificati in modo del tutto indipendente in almeno tre occasioni differenti nel corso dell’evoluzione dei ciliati.

Bodo e i segreti della genomica a singola cellula

Nel marzo del 2026, la ricerca della diversità nei microrganismi ha raggiunto un ulteriore traguardo. Un gruppo di ricercatori dell’Earlham Institute e dell’Università di Oxford, guidato dalla prima autrice Sally D. Warring, ha pubblicato uno studio sulla rivista Microbial Genomics focalizzato sul genere Bodo.

I Bodo sono piccoli flagellati acquatici e terrestri di fondamentale importanza evolutiva, in quanto rappresentano i parenti a vita libera più vicini a pericolosi parassiti umani come Trypanosoma (responsabile della malattia del sonno) e Leishmania.

Isolando e sequenziando solo sette singole cellule prelevate da un campionamento d’acqua a Royal Leamington Spa, nel Regno Unito, i ricercatori hanno fatto scoperte sorprendenti:

• Le sette cellule appartenevano a tre specie di Bodo del tutto sconosciute alla scienza.

• Ciascuna specie ospitava al proprio interno un batterio endosimbionte dell’ordine Holosporales ampiamente adattato al proprio ospite.

• La variabilità genetica rilevata era talmente elevata che i metodi tradizionali di sequenziamento collettivo non sarebbero mai riusciti a individuarla.

Prospettive per la biologia sintetica e la ricerca scientifica

Le scoperte realizzate su questi organismi microscopici vanno ben oltre la semplice curiosità naturalistica.

Mentre gli ingegneri genetici cercano di riprogrammare i linguaggi cellulari in laboratorio, la natura dimostra di aver già sperimentato queste soluzioni da milioni di anni. Come ha sintetizzato il dottor McGowan, il mondo microscopico conserva ancora un’infinita varietà di sorprese. Basta avere gli strumenti giusti per saperle cercare.

Traduzione abstract. La disponibilità dello studio completo, in accesso libero o riservato, è verificabile tramite il link del DOI nel box sotto se disponibile.

Abstract 01

Il codice genetico è una delle caratteristiche più conservate in tutto il mondo. Solo poche linee evolutive si sono discostate dal codice genetico “universale”. Tra le poche varianti del codice genetico finora segnalate, i codoni UAA e UAG hanno quasi sempre la stessa traduzione, suggerendo che la loro evoluzione sia correlata. In questo studio, riportiamo il sequenziamento del genoma e del trascrittoma di un nuovo ciliato non coltivato, appartenente alla classe Oligohymenophorea, in cui la traduzione dei codoni di stop UAA e UAG è cambiata per specificare aminoacidi diversi. Le analisi genomiche e trascrittomiche hanno rivelato che UAA è stato riassegnato per codificare la lisina, mentre UAG è stato riassegnato per codificare l’acido glutammico. Abbiamo identificato diversi geni tRNA soppressori con anticodoni complementari ai codoni riassegnati. Dimostriamo che il codone di stop UGA mantenuto è arricchito nella regione 3’UTR immediatamente a valle della regione codificante dei geni, suggerendo che esista una spinta funzionale a mantenere i codoni di stop in tandem. Utilizzando un approccio filogenomico, abbiamo ricostruito la filogenesi dei ciliati e mappato le modifiche del codice genetico, evidenziando il notevole numero di modifiche indipendenti del codice genetico all’interno del gruppo di protisti Ciliophora. Per quanto ne sappiamo, questa è la prima segnalazione di una variante del codice genetico in cui UAA e UAG codificano amminoacidi diversi.

Traduzione abstract. La disponibilità dello studio completo, in accesso libero o riservato, è verificabile tramite il link del DOI nel box sotto se disponibile.

Abstract 02

La traduzione delle sequenze nucleotidiche in sequenze di amminoacidi, regolata dal codice genetico, è una delle caratteristiche più conservate della biologia molecolare. Il codice genetico standard, che utilizza 61 codoni senso per codificare uno dei 20 amminoacidi standard e 3 codoni di stop (UAA, UAG e UGA) per terminare la traduzione, è utilizzato dalla maggior parte degli organismi viventi. Il phylum dei protisti Ciliophora (i “ciliati”) rappresenta l’eccezione più rilevante a questa norma, mostrando la maggiore diversità di varianti del codice genetico nucleare e prove di ripetuti cambiamenti nel codice. In questo studio, riportiamo la scoperta di molteplici cambiamenti indipendenti del codice genetico all’interno della classe dei ciliati Phyllopharyngea. Analizzando i dataset genomici dei ciliati disponibili pubblicamente, abbiamo scoperto che tre specie di ciliati del dataset del metagenoma eucariotico TARA Oceans utilizzano il codone UAG per codificare presumibilmente la leucina. Abbiamo identificato nuovi geni tRNA soppressori in due di questi genomi, che si prevede decodifichino il codone UAG riassegnato alla leucina. L’analisi filogenomica ha rivelato che questi tre taxa non coltivabili formano un lignaggio monofiletico all’interno della classe Phyllopharyngea. Ampliando la nostra analisi mediante la riassemblaggio di set di dati genomici di fillofaringe pubblicati, abbiamo scoperto che il codone UAG era stato riassegnato anche per codificare presumibilmente la glutammina in Hartmannula sinica e Trochilia petrani. L’analisi filogenomica suggerisce che ciò sia avvenuto tramite due eventi indipendenti di cambiamento del codice genetico. Questi dati dimostrano che i codoni UAG riassegnati sono ampiamente utilizzati come codoni di senso all’interno dei ciliati fillofaringei. Inoltre, mostriamo che la funzione di UAA è saldamente fissata come codone di stop preferito. Questi risultati fanno luce sull’evolvibilità del codice genetico negli eucarioti microbici poco studiati.

Traduzione abstract. La disponibilità dello studio completo, in accesso libero o riservato, è verificabile tramite il link del DOI nel box sotto se disponibile.

Abstract 03

Bodo è un genere cosmopolita di flagellati unicellulari batterivori a vita libera appartenenti alla classe Kinetoplastea. Il genere Bodo è considerato il lignaggio a vita libera più vicino ai lignaggi parassitari Trypanosoma e Leishmania, agenti causali di malattie umane come la malattia del sonno, la malattia di Chagas e la leishmaniosi. Attualmente, esiste un solo genoma per l’unica specie formalmente descritta del genere, Bodo saltans. Precedenti studi su B. saltans hanno dimostrato che dipende da un batterio endosimbionte dell’ordine Holosporales, ‘Candidatus Bodocaedibacter vickermanii’. Utilizzando il sequenziamento di singole cellule, abbiamo isolato, sequenziato e assemblato i genomi di sette cellule di Bodo spp. non coltivate, provenienti da un campione di acqua dolce di Royal Leamington Spa, nel Regno Unito. Attraverso la genomica comparativa, dimostriamo che queste sette cellule rappresentano tre potenziali nuove specie di Bodo che mostrano livelli inaspettati di diversità a livello genomico. I nostri risultati indicano che il sequenziamento del DNA ribosomiale della subunità piccola, spesso utilizzato per classificare i flagellati del genere Bodo, è insufficiente per determinare la delimitazione delle specie in questo genere. Inoltre, abbiamo recuperato il genoma di un batterio Holosporales da tutte e sette le cellule di Bodo spp. Sorprendentemente, questi sette endosimbionti rappresentano anche tre nuove specie, congruenti con la filogenesi dell’ospite e che mostrano adattamenti specifici del lignaggio. Questa diversità e l’associazione ospite-simbionte sarebbero indistinguibili nelle pipeline di metabarcoding o di sequenziamento di massa comunemente utilizzate, dimostrando così la potenza del sequenziamento a singola cellula nel rivelare la diversità all’interno dei lignaggi degli eucarioti microbici.

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