 Buongiorno, mi chiamo Federico Galvani, sono un docente di biologia molecolare all'università di Siena, nel Dipartimento di Biotecnologie, Chimica e Pharmacia. In questo periodo così strano, in cui siamo ostaggi di un virus chiusi nelle nostre case, volevo parlare di virus, ma da un punto di vista molto diverso, forse molto controcorrente, cioè quello di virus come nostri amici, o meglio compagni di viaggio in quello che è l'evoluzione degli organismi e della specie umana in particolare. Innanzitutto alcuni termini per capirci bene durante queste due lezioni. Il primo di tutto è che cos'è il genoma e il DNA, cose che forse già sapete almeno in parte. Il DNA è questa molecula molto lunga, questa doppia elica, una stringa di, composta da nucleotidi, G, A, T e C, che può essere lunga fino a due metri all'interno della cellula umana, per esempio, divisa in 46 sottostringhe, che sono i cromosomi, e impacchettata all'interno del nucleo della cellula. È molto lunga ma molto sottile per cui, diciamo, che ci sta. Tutto l'insieme del DNA all'interno del nucleo di una cellula è chiamato genoma, cioè l'insieme dei geni. I geni sono un piccolo tratto di questa doppia elica che nel gelo comune si dice che codifica per una proteina, cioè una serie di queste sequenze, come le lettere di un testo, codifica, indica come costruire una proteina. Questa funziona così, il DNA viene trascritto, cioè viene fatta una piccola copia a singola elica che si chiama RNA, esce dal nucleo della cellula, va nel citoplasma e lì i sistemi di traduzione la traducono appunto in proteine. Più proteine formano insieme poi un complesso macromolecolare che ha una determinata funzione e quindi tutto l'insieme delle proteine vanno essere la cellula quello che è comportarsi in un determinato modo. Tutte le cellule del nostro corpo, che sono circa 40 miliardi in un essere adulto, contengono la stessa quantità di DNA. Noi trasmettiamo questa informazione genetica, il nostro genoma, da genitori a figli e per questo che i nostri figli sono molto simili a norma, appunto molto simili, non uguali. Questo perché il sistema è quasi perfetto, è volutamente imperfetto, per cui da individuo a individuo il DNA non è mai sempre uguale, ci sono dei piccoli cambiamenti casuali che avvengono e questi piccoli cambiamenti fanno sì che i nostri figli appunto non siano uguali a noi e se guardiamo da una prospettiva molto più lontana, ci ha permesso di evolverci da quello che era una scigna o un omimide all'homo sapiens. Questo perché è il punto essendo tutti diversi uno dall'altro, poi l'ambiente seleziona gli individui più adatti a quell'ambiente e c'è la selezione darviniana e appunto i figli sono sempre un po' diversi fino a differenziarsi molto. Questa su grande scala ci ha portato da un organismo unicellulare a molluschi, a rettili, i pesci rettili e poi anfibie mammiferi fino a noi, sempre accumulando piccole e piccole differenze. Questo in genere è quello che si dice e si sa, ma non è solo questo. Cioè il DNA, abbiamo detto, viene trasmesso in maniera verticale, quindi un individuo, questo organismo ancestrale qui, vediamo, trasmette il proprio DNA alla discendenza, si accumulano piccole differenze, l'organismo diventa sempre leggermente diverso dai genitori fino a formare un nuovo organismo. Nel passato probabilmente qualcuno dei suoi antenati va preso una strada, si dice, evolutiva, diversa. Cioè era diventato un organismo B accumulando mutazioni e cambiamenti diversi, quello che può essere ad esempio un natigre nei felini, un natigre rispetto a un jaguaro. Se andiamo ancora indietro nel tempo, un antenato ancora precedente probabilmente va preso una strada evolutiva completamente diversa e è diventato l'organismo C. Se parliamo sempre di mammiferi e andiamo molto indietro nel tempo, si potrebbe parlare che questo organismo C potrebbe essere un elefante per esempio. Questo trasmettendosi, questo è l'albero filogenetico si chiama, che mette in relazione tutti gli organismi tra di loro in base alla loro evoluzione a quando si sono separati nel passato, sono diventati organismi diversi, specie diverse. Questa trasferimento genico verticale, cioè da genitori a figli però, non è l'unico trasferimento genico che conosciamo. Ce ne sono altri, in particolare anzi uno, e è il trasferimento genico orizzontale. Vuol dire che io, il mio DNA, non lo prendo tutto dai genitori, ma una piccola parte, casualmente in un momento, non in tutti gli individui, può provenire da un'altra specie o da un altro organismo o da un altro individuo. Questo quindi è un trasferimento verticale, non avviene tramite la riproduzione ma viene semplicemente condividendo l'ambiente venendo a contatto. Questa è una cosa che sembra in realtà piuttosto strana, ma strana non è, facciamo alcuni esempi. Il più famoso è nei batteri, ad esempio, andiamo negli organismi più semplici, cominciamo da lì, abbiamo la coniugazione, ovvero nei batteri ci sono i cromosomi, uno che contiene tutta l'informazione genetica per i batteri, più alcuni piccoli, sì, c'è i pisomi, cioè piccole molecole di DNA separate. I batteri creando dei pili, cioè delle connessioni, dei piccoli tubuli di connessione da una cellula all'altra, possono scambialarsi queste informazioni, quindi trasmettere del DNA da una cellula all'altra, da una cellula donatrice a una cellula che accetta questa informazione. Quindi il genoma batterico della nuova cellula ha acquisito nuove informazioni, ha acquisito nuovo DNA, si è evoluto e è diventata una cosa leggermente diversa, non solo cambiando con le mutazioni, ma anche acquisendo da fuori, ecco qua, il trasferimento genico orizzontale, acquisendo da fuori nuove informazioni, nuovi geni. In questo caso nei batteri è famoso questa coniugazione perché permette ai batteri di trasmettere l'uno all'altro la resistenza agli antibiotici, per esempio, quindi un battero resistente agli antibiotici può far diventare resistente agli antibiotici un altro batterio, addirittura un altro tipo di batterio, semplicemente trasmettendoli l'informazione del DNA che serve per creare l'enzima che degrada l'antibiotico. Però va bene i batteri, non sono elementi semplici, sono cellule piccole, lo posso capire ma come può succedere nelle cellule più complesse negli organismi più complessi. Vediamo ad esempio un esempio estremo che è successo durante l'evoluzione, è quella di due organelli, cioè le due piccole compartimentalizzazioni della cellula nel citoplasma, i mitocondri e i cloroplasti. I mitocondri sono la centrale energetica della cellula, quella che gli permette di usare l'ossigeno per produrre energia. I cloroplasti invece sono presenti solo delle cellule vegetali e servono per fare la fotosintesi clorofiliana, cioè per fissare l'anidride carbonica dell'aria in molecole più complesse, tipo i zuccheri, quindi in molecole organiche. Durante l'evoluzione non è che le cellule hanno sempre avuto i mitocondri o i cloroplasti, all'inizio c'era una cellula senza mitocondri che era un batterio, probabilmente un arco batterio, che a un certo punto ha inglobato un batterio capace di usare l'ossigeno appunto come per produrre energia e questo è diventato poi il mitocondri. Il primo è vissuto all'interno della cellula, si dicendo simbiosi, cioè vivevano insieme uno nell'altro. Ci sono alcuni batteri parassiti che vivono dentro le cellule. Questo più che parassita era un mutuo scambio, cioè io ti do questo, tu mi dai qualcosa altro, vivevano bene insieme. Poi pian piano è diventato un organello, cioè incapace di vivere indipendentemente al di fuori della cellula, ma anche all'interno della cellula in realtà e maggior parte del DNA che questo batterio conteneva si è trasferita all'interno del nucleo, ecco che l'informazione per fare il mitocondrio molto è dentro al nucleo. Però un po' di questa informazione è rimasta all'interno del mitocondrio, cioè il mitocondrio contiene parte del suo genoma, parte della sua materiale genetico. È questo che ci fa supporto che all'inizio sia stato un organismo indipendente, quindi un batterio indipendente. Un po' più tardi nell'evoluzione, quindi, diciamo, si è formata la prima cellula eukaryotica, vero e propria, con il nucleo chiuso, i mitocondri, eccetera. Pocco dopo è avvenuto un evento simile. Una cellula eukaryotica primitiva ha inglobato un ciano batterio probabilmente, c'è un batterio capace di fare fotosintesi al suo interno, anche questo all'inizio come endosimbiosi e poi pian piano, in quelle che saranno le cellule vegetali, è diventato un cloroplasto. Vedete questo è quello che si dice l'albero filogenetico, cioè da una comunità ancestrale di cellule primitive sono nata le varie specie di batteri eukaryoti, piante e animali. Ci sono stati due grossi, quindi, trasferimenti orizzontali. I primi mitocondri, generando le prime cellule eukaryotica, e successivamente i plastidi, i cloroplasti, generando le prime cellule vegetali. La maggior parte del genoma, abbiamo detto, di questi endosimbiosi, si è trasferito nel nucleo della cellula, ma parte è rimasta all'interno degli organelli. Ok, voi potreste dirmi, ma è un esempio estremo e non solo, è anche ipotetico e teorico, perché noi non abbiamo le prove, abbiamo delle prove indiziarie, hanno del DNA, hanno loro, hanno una doppia membrana, eccetera eccetera, hanno loro codice genetico, è vero. Ma chissà se è successo veramente? Beh, l'ideale è trovare delle specie animali che con il loro stato intermedio ci raccontano un po' come potrebbe essere andata la storia. E un bellissimo esempio in biologia è l'Elizia clorotica, che è una lumaca di mare che vive nel mare sulle coste del nord america e quando è giovane è così, è marrone, si nutre mangiando alghe, una particolare tipo di alga, in realtà è molto specializzata. E cosa succede? Piano piano i cloroplasti che stanno nelle cellule di questa alga che la lumaca mangia, vengono assorbiti tipo endosimbiosi proprio dalle cellule intestinali di questa lumaca, che allunga andare diventa verde, non diventa solo verde in realtà, i cloroplasti sopravvivono all'interno di queste cellule e la lumaca diventa capace di fare fotosintesi clorofiliana. E d'animale heterotropho, cioè che deve mangiare altri animali per procurarsi sostanze organiche, diventa un animale autotropho con la luce del sole, è capace di fissare la nidria carbonica dell'area per creare molecole complesse. Ora è capace di sopravvivere anche diversi anni senza più nutrirsi dell'alghe, semplicemente facendo fotosintesi. È un via di mezzo nel senso che sono cellule di un animale, di una cariota superiore che ha inglobato dei cloroplasti. In realtà non è una pianta, perché si muove perché altre caratteristiche che la fanno essere un animale ovviamente, non solo ma non è proprio un animale autotrofo perché alla sua progenia, cioè i suoi figli, non è capace di trasmettere i cloroplasti, i suoi figli saranno di nuovo marroni. Anche se parte, pare, che parte dei geni dell'alghe, non del cloroplasto dell'alghe, vengano inglobati dalle cellule dell'alumaca perché per far sopravvivere il cloroplasto serve altre informazioni che derivano dal genoma della pianta dell'alghe. Quindi è una via di mezzo. Il passo successivo sarà quello, probabilmente nell'evoluzione tra qualche centinali di milioni di anni, non lo so, milioni di anni, sarà quello di trasferire il materiale genetico, direttamente nelle cellule germinali di questa allumaca, cioè quelle che servono per la riproduzione, in modo tale che anche i figli acquistino la capacità di far sopravvivere i cloroplasti o addirittura di creare cloroplasti indipendentemente dalla necessità di mangiare delle alge all'inizio. Quindi comunque che sta indossimbiosi è possibile e succede appunto anche ora. Il modo in realtà traumato, meno grosso trasmettere informazioni che inclobare un intero organismo, che non è sempre comune, è quello di essere infettati da un virus. Spiegamolo meglio partendo dai batteri. Anche i batteri hanno la loro croce, anche i batteri hanno il loro virus, si chiamano batteriophagi. Sono queste specie di ragnetti qua con delle zamppette con cui si ancorano ai batteri e una testa che contiene il materiale genetico, l'informazione per creare nuovi virus. Si attaccano ai batteri e iniettano il DNA all'interno del batterio. Il batterio cosa fa? Comincia a produrre le proteine necessarie per creare il virus, ne crea centinaria all'interno della cellula batterica che poi si spacca, libera tutti questi virus e che vanno a infettare altri batteri. Ora quando fa questa cosa qui, esce da una cellula batterica e va a infettarne un'altra, non è detto che il batterio, il batteriofago, cioè il virus, porti con sé solo il suo materiale genetico, ma può anche portare con sé parte del genoma del batterio. Perché? Perché in realtà il DNA del batterio si integra nel genoma e quando se lo riprende fuori il batteriofago può prendere una parte più grossa, è come se io inserissi una pagina in un libro, poi quando me la riprendo, ne prendo in realtà due e me le porto con me e le porto a qualcun altro, ecco io ho portato più informazione di quella iniziale. Quindi si può trasmettere da un batterio a un altro batterio, dell'informazione genetica contenuta nel genoma attraverso un'infezione batteriofagica, cioè di un virus, si chiama trastuzione batterica, ma questo poco importa. Comunque se ci pensate appunto i virus sono un'ottima trasmissione di DNA, perché si spostano da una cellula all'altra, trasmissione orizzontale ovviamente, perché si spostano da una cellula a un'altra portando con sé proprio il materiale genetico, quindi se ne prendono un po' di più portano anche quello. Ma può essere utile un virus anche a dei batteri? Sì, può essere utile anche un virus a dei batteri. Esistono ad esempio dei batteriofagi che vedete questo arco di cerchio verde chiaro che è il genoma di un batteriofago inserito nel genoma batterico. Questi batteri proliferano, stanno abbastanza bene, il batteriofago non li uccide più di tanto o solo uno ogni tanto, liberando nuove particelle fagi che andranno a infettare ma poco la popolazione che lo ha originato, perché il virus con il batterio o con i suosti e in generale tende a raggiungere un equilibrio. Adesso ve lo spiego meglio. Finiamo questa cosa qui. Qual è il vantaggio di tutto ciò? Che se nell'ambiente ci sono altri batteri, questi qui arancio, in competizione con i batteriazzurri, il batteriofago prodotto da poche cellule che si ammalano dei batteriazzurri va a infettare e uccidere le cellule competitori del batterio arangione. Quindi è un virus che serve per eliminare i concorrenti, quindi lo porta con sé e pagando un piccolo prezzo di qualche morto ogni tanto. I virus si comportano effettivamente così, cioè tendono a raggiungere un equilibrio tra quello che è il benessere dell'ospite e la loro capacità di riprodursi e infettare altri ospiti, perché non ha interesse il virus a uccidere immediatamente l'ospite. Se lo prende, lo uccide subito, non gli dà l'opportunità di diffondere la malattia. Quindi quando un nuovo virus arriva in una specie animale, nell'uomo ad esempio, all'inizio può essere anche molto grave, perché è la prima volta che questo virus vede l'essere umano, una cellula umana, è la prima volta che cominciano a interagire. Ecco perché ad esempio Lebola, che è un virus che si proviene dalle scigne o dai pipistrelli in realtà, per la maggior parte, si trasmette velocemente da uomo-uomo, ma è molto letale. È un virus giovane, è passato da poco dal pipistrello all'uomo e è molto letale. Questo fa sì che non ci sia tempo di diffondere, in realtà, la trasmissione virale, quindi non conviene neanche al virus. I virus che ci sono a infettare la specie umana da più centinaia di migliaia di anni, in realtà hanno raggiunto un equilibrio, perché appunto entrambi ne hanno un vantaggio, questo vedrete, ci tornerà utile saperlo. Vediamo un altro esempio di virus che aiuta un altro organismo, importando informazione che gli serve. Allora questo dicantelium langinosum, che sembra un incantesimo di Harry Potter, ma in realtà è una pianta che cresce in terreni caldi, fino a 55 gradi, scusate, nel parco dello Yellowstone in America. In realtà lei non è capace di crescere in questo terreno, è troppo caldo, riesce a crescere solo se è infettata da un fungo, che è colonizzata da questo fungo, che gli fornisce dell'informazione genetica necessaria per crescere in questo ambiente. Questo fungo a sua volta non è capace di in realtà di aiutare la pianta se non è infettato da un virus che lo trasforma e fa sì che questo virus sia capace di crescere in queste condizioni. Quindi è un equilibrio appunto, il virus infetta il fungo, non lo vuole in realtà uccidere, anzi vuole che stia bene per poter stare bene anche lui e quindi lo aiuta a stare meglio in questo ambiente. Il fungo del resto non vive se la pianta non sta bene quindi il fungo poi aiuta la pianta, trasmissione orizzontale di informazione genetica da un virus a una pianta. Altro esempio intermedio, molto importante, molto importante perché in realtà è una situazione in cui un virus non infetta niente gli individui che ospita. L'ospita si chiama toxoneuronigriceps, è una vespa che ignetta con un suo ovo depositore l'uovo all'interno di una larva, più uova in realtà all'interno di una larva di un coliottero e all'interno di questa larva le uova si svilupperanno, le larve si svilupperanno e nasceranno poi muove vespe. In realtà non ignetta solo l'uovo perché ignettando l'uovo questo avrebbe ucciso dei sistemi di difesa della larva. Quello che succede è che ignetta anche dei virus. Dov'era questi virus? Questi virus o meglio l'informazione genetica di questi virus stava integrata nel genoma della vespa stessa. Il genoma del virus fa parte di quella molecola lineare del DNA del genoma della vespa. Solo quando produce l'uova alcune cellule comincerà a la produrre anche questi virus e entreranno nella larva l'uovo e anche una certa quantità di questi virus. Cosa infettano l'uovo di nuovo da vespa vespa? No, vanno a infettare le cellule della larva, infettando le cellule della larva le fanno impazzire. Queste non attaccano più, anzi nutrono le uova e non solo la larva è bloccata, cioè non cresce più, non diventerà più una farfalla, rimane larva, una perfetto asilo per le uova e le larve della vespa fino a quando non morirà perché le vespe di nuova generazione usciranno appunto da questo brucco. Quindi è dell'informazione genetica che sta nel genoma della vespa che non esce per infettare un'altra vespa, quindi non è un virus normale che infette individui della stessa specie, va a infettare le cellule della larva bersaglio e non lo fa perché poi queste trasmettano l'infezione ad altre cellule di altre larve. No, non ce la fa, non ce la fa a crescere e riprodursi all'interno delle cellule della larva, serve solo per trasformarne. Qui lascio un po' poi ragionare tra di voi su quella che può essere l'implicazione di questo, cioè un virus o non è un virus, perché potrebbe anche essere visto come un gene della vespa che esplica la sua funzione, cioè capace di fare la sua funzione non dentro la cellula della vespa, ma nella cellula di un altro organismo. In ogni caso all'origine era sicuramente un virus capace di infettare vespe e ha deciso però di non uccidere più il suo ospite ma di aiutarlo nella procreazione in modo tale che anche lui potesse essere riprodotto all'infinito fino a che la vespa non ha vita. Bene, quindi abbiamo visto l'albero filogenetico, l'albero filogenetico cioè l'evoluzione delle varie specie a partire da un precursore comune con i due grossi spostamenti orizzontali, trasmissioni orizzontali di informazione genetica che sono stati il trasferimento del mitocondrio e il trasferimento del cloroplasma. In realtà abbiamo visto anche altri esempi di come l'informazione genetica si può spostare orizzontalmente non solo verticalmente da genitori a figli. E questa viene più frequentemente di quanto si pensi appunto, quegli esempi ho fatto vedere io, forse più fascinanti ma c'e ne sono tanti altri, piante che hanno acquisito materiale genetico dai funghi che l'hanno parassitate, che adesso questi funghi non ci sono più però si riconoscono questi geni che erano di funghi dentro alla pianta, batteri appunto che si sono scambiati in materiale genetico, eccetera. Per cui non si parla quasi più di albero della vita o albero genetico, ma bisognerebbe parlare in realtà di rete della vita, rete filogenetiche. Perché appunto c'e un questo spostamento, questa trasmissione di DNA in orizzontale che è più importante di quello che si pensa anche se è difficile da credere e forse scomodo da credere perché ci fa essere forse un po' più fragili, non siamo così stabili, potremmo anche essere trasformati da qualcuno e questo succede in realtà, esistono anche dei virus che trasmettono il materiale genetico e trasformano le nostre cellule e le fanno diventare cellule tumorali, ci sono dei virus che causano tumori e non solo ma anche il virus stesso può essere trasformato dalla infezione perché quando si sposta di nuovo si può integrare nel nostro genoma e poi quando si riprende la sua informazione genetica in realtà se ne porta via un pezzo più grosso, qualche gene umano. Ecco allora che con questa informazione è diventato un virus con delle capacità diverse. Questo acquisire informazione lateralmente, cioè orizzontalmente in realtà è molto importante perché ha permesso a parte i due salti grossi salti mitocondri e cloroplasto, evolutivi, salti evolutivi, ma accelera molto l'evoluzione perché un conto è avere uno strumento e fare dei piccoli cambiamenti su questo strumento, vuol dire avere un gene, cambiare delle piccole lettere che lo codificano e avere qualcosa di meglio e fare dei cambiamenti. E un altro conto è avere nuove istruzioni, improvvisamente dei pacchetti di informazioni grossi nuovi per fare una nuova funzione o parte di una nuova funzione da ex novo, da zero e questo punto consente un salto evolutivo. Nella prossima lezione, questa era stata introduttiva, nella prossima lezione entreremo più nello specifico del coronavirus, cioè dei virus come quelli che adesso ci fanno un po' tannare e capiremo come loro hanno aiutato proprio la specie umana a devolversi. Se avrete la pazienza ovviamente di ascoltare anche la seconda puntata.