Medicina evoluzionistica: controllare l'evolvibilità per curare

L'evolvibilità è una grandezza che in teoria dell’evoluzione biologica misura la capacità di una popolazione di evolversi nel tempo, cioè di migliorare la sua capacità di adattarsi a cambiamenti ambientali o pressioni selettive attraverso mutazioni. In sostanza, questa capacità riguarda il potenziale per futuri adattamenti. Si tratta di un concetto che trova uso particolarmente nel caso di popolazioni che si evolvono rapidamente, come batteri, virus e alcuni tipi di cellule cancerose, dove la competizione tra popolazioni con diverse mutazioni può essere intensa e complessa, così che mutazioni vantaggiose nell’immediato possono essere rapidamente eclissate da altri fattori emergenti – altre mutazioni o interazioni cooperative tra mutazioni e genotipi diversi, che cambiano rapidamente rendendo inutili adattamenti precedentemente vantaggiosi.

Fino a non molto tempo fa, i modelli disponibili non riuscivano a spiegare adeguatamente come certe mutazioni, che non portano immediatamente benefici significativi, potessero comunque diffondersi nelle popolazioni: la chiave, come è stato recentemente dimostrato, risiede appunto nel fatto che tali mutazioni possono influenzare in misura non trascurabile la capacità di sviluppare altre mutazioni, cioè l’evolvibilità, in senso favorevole.

Per esempio, mutazioni di questo tipo sono state osservate in esperimenti di evoluzione di laboratorio su batteri come Escherichia coli, in cui cambiamenti nella sequenza dei geni che riparano i danni al DNA hanno generato ceppi caratterizzati da tassi di mutazione molto elevati. Queste mutazioni hanno permesso alla popolazione di accumulare velocemente mutazioni potenzialmente benefiche, migliorando la sua capacità di adattarsi e competere con altre varianti genetiche, ampliando di molto il "paesaggio adattativo", ovvero le possibili traiettorie evolutive che la popolazione poteva intraprendere.

Gli autori di un nuovo lavoro hanno adesso sviluppato un modello matematico per analizzare e prevedere il destino di questo tipo di mutazioni, che modificano non solo la fitness a breve termine, ma soprattutto i tassi e i benefici delle mutazioni future. Lo studio descrive come queste particolari mutazioni, che funzionano da "modificatori di evolvibilità", possano emergere e fissarsi in una popolazione, anche quando siano inizialmente svantaggiosi per il loro portatore.

Il modello matematico sviluppato dagli autori ha mostrato che, in popolazioni microbiche con alti tassi di mutazione e grande diversità genetica, le mutazioni che aumentano l'evolvibilità possono essere selezionate anche quando hanno un costo immediato in termini di fitness. Questo accade perché tali mutazioni migliorano la capacità della popolazione di adattarsi a lungo termine, producendo varianti utili prima che gli eventuali costi delle mutazioni stesse per gli individui portatori riescano a far sentire il loro peso sulla popolazione. In altre parole, le mutazioni che cambiano l’evolvibilità possono essere selezionate, anche se queste mutazioni riducono la fitness nel presente, perché le ulteriori mutazioni positive che emergono grazie alla migliorata evolvibilità bilanciano rapidamente il loro costo.

Come dimostrano gli autori del nuovo lavoro, si può arrivare in condizioni in cui le mutazioni che “preparano” la popolazione a futuri adattamenti possono prevalere su quelle che forniscono vantaggi immediati ma limitati nel tempo.

Di converso, mutazioni di grande vantaggio immediato, che però abbassano troppo l’evolvibilità, possono portare in vicoli ciechi evolutivi – situazioni in cui non è più possibile ottenere ulteriori adattamenti. Per esempio, una mutazione potrebbe rendere un batterio estremamente resistente a un antibiotico, ma impedire ulteriori adattamenti al cambiare delle condizioni. Gli autori dimostrano come una forte selezione positiva può effettivamente cacciare una popolazione in uno di questi vicoli ciechi, il che suggerisce immediatamente la validità di un approccio terapeutico contro agenti infettivi e tumori, basato sulla possibilità di guidare la popolazione verso uno stato ad alta fitness, ma bassa evolvibilità, per poi cambiare il regime terapeutico.

Questo interessante concetto non è solo teoria: è solo l’ultimo di uno degli approcci di tipo evoluzionistico suggeriti per modificare l’approccio terapeutico a malattie complesse come il cancro, considerato come un ecosistema complesso, in cui si voglia causare un’estinzione controllata sfruttando dinamiche evolutive precise