A natureza está cheia de parasitas - organismos que florescem e proliferam às custas de outras espécies. Surpreendentemente, esses mesmos papéis concorrentes de parasita e hospedeiro podem ser encontrados no mundo molecular microscópico da célula. Um novo estudo realizado por dois pesquisadores de Illinois demonstrou que os elementos dinâmicos do genoma humano interagem uns com os outros de uma forma que se assemelha fortemente aos padrões vistos em populações de predadores e presas.

As evidências, publicado em Cartas de revisão física pelos físicos Chi Xue e Nigel Goldenfeld, são um passo importante para a compreensão das formas complexas como os genomas mudam ao longo da vida de organismos individuais, e como eles evoluem ao longo das gerações.

“Esses são genes que estão ativos e estão editando o genoma em tempo real em células vivas, e este é o começo de tentar entendê-los com muito mais detalhes do que foi feito antes, "disse Goldenfeld, que lidera o tema de pesquisa Biocomplexidade no Instituto Carl R. Woese de Biologia Universal (IGB). "Isso está nos ajudando a entender a evolução da complexidade e a evolução dos genomas."

O estudo foi apoiado pelo Centro de Física de Células Vivas, um Physics Frontiers Center em Illinois apoiado pela National Science Foundation, e o Instituto de Astrobiologia da NASA para Biologia Universal em Illinois, que Goldenfeld dirige.

Goldenfeld e Xue embarcaram neste trabalho devido ao seu interesse em transposons, pequenas regiões do DNA que podem se mover de uma parte do genoma para outra durante a vida de uma célula - uma capacidade que lhes valeu o nome de "genes saltadores". Coletivamente, vários tipos de transposons constituem quase metade do genoma humano. Quando eles se movem, eles podem criar mutações ou alterar a atividade de um gene funcional; transposons podem, portanto, criar novos perfis genéticos em uma população para a seleção natural agir, de uma forma positiva ou negativa.

Os pesquisadores de Illinois queriam aprender mais sobre como a evolução funciona neste nível, o nível de organismos inteiros, olhando para o ecossistema metafórico do genoma humano. Nesta visão, a estrutura física do DNA que compõe o genoma atua como um ambiente, em que dois tipos de transposons, elementos nucleares intercalados longos (LINEs) e elementos nucleares intercalados curtos (SINEs), têm uma relação competitiva entre si. Para replicar, Os SINEs roubam a maquinaria molecular que os LINEs usam para se copiar, algo como um pássaro cuco engana outros pássaros para criar seus filhotes para ela, enquanto abandonam os seus próprios.

Com a ajuda de Oleg Simakov, um pesquisador do Instituto de Ciência e Tecnologia de Okinawa, Xue e Goldenfeld focaram na biologia dos elementos L1 e elementos Alu, respectivamente tipos comuns de LINEs e SINEs no genoma humano.

Os pesquisadores adotaram métodos da física estatística moderna e modelaram a interação entre os elementos Alu e L1 matematicamente como um processo estocástico - um processo criado a partir de interações aleatórias. Este método foi aplicado com sucesso em ecologia para descrever as interações predador-presa; Xue e Goldenfeld simularam os movimentos dos transposons dentro do genoma humano com o mesmo método matemático. Seus modelos incluíram uma explicação detalhada de como os elementos Alu roubam o maquinário molecular que os elementos L1 usam para se copiar.

Os resultados de Xue e Goldenfeld previram que as populações de elementos LINE e SINE no genoma devem oscilar da mesma forma que as de, por exemplo, lobos e coelhos, sim.

"Percebemos que a interação dos transposons na verdade era muito parecida com a interação predador-presa na ecologia, "disse Xue." Tivemos a ideia, por que não aplicamos a mesma ideia da dinâmica predador-presa. . .esperávamos ver as oscilações que vemos no modelo predador-presa. Então, primeiro fizemos a simulação e vimos as oscilações que esperávamos, e ficamos muito animados. "

Em outras palavras, muitos SINEs e os LINEs começam a sofrer, e logo não há o suficiente para todos os SINEs explorarem. SINEs começam a sofrer, e os LINEs voltam. O modelo de Xue e Goldenfeld fez a previsão surpreendente de que essas oscilações ocorrem ao longo de uma escala de tempo que é mais longa do que a vida humana - ondas de elementos Alu e elementos L1 empurrando e puxando uns aos outros em câmera lenta através das gerações de genomas humanos que os carregam.

"O aspecto mais esclarecedor do estudo para mim foi o fato de podermos realmente computar as escalas de tempo, e ver que é possível que possamos observar essas coisas, "disse Goldenfeld." Temos uma previsão para o que acontece em células individuais, e podemos realmente fazer um experimento para observar essas coisas, embora o período seja mais longo do que o tempo de vida de uma única célula. "

Em um estudo relacionado, O laboratório de Goldenfeld colaborou com o laboratório do colega físico e membro do tema de pesquisa da IGB Biocomplexity, Thomas Kuhlman, para visualizar os movimentos dos transposons dentro dos genomas das células vivas. Usando este tipo de tecnologia inovadora, e estudando a história da evolução molecular em outras espécies, Goldenfeld e Xue esperam testar algumas das previsões feitas por seu modelo e continuar a obter informações sobre o mundo dinâmico do genoma.