Endosimbiosi tra una cellula procariotica (Asgard Archea) e un protobatterio che ha dato origine alla linea evolutiva degli eucarioti. Fonte: pagina Facebook “L'organismo vivente”
Le cellule che compongono tutti gli organismi animali, vegetali e fungini sono dotate di un nucleo all'interno del quale è contenuto il Dna. Queste cellule nucleate si chiamano eucariotiche e si sono originate circa 1,8 miliardi di anni fa. Capire come ciò sia avvenuto è una domanda fondamentale della biologia contemporanea che solo parzialmente ha ricevuto risposta.
Una nuova ricerca pubblicata su Nature e condotta da due ricercatori, Canel Akin e Robert C. Robinson (che lavorano alla Agency for Science, Technology and Research e alla National University di Singapore e all'università di Okayama in Giappone) si tuffa a ritroso nel tempo, giù fino alle radici dell'albero della vita, e scopre nuove caratteristiche dell'antenato comune a tutti gli organismi complessi che oggi abitano la Terra.
“ La teoria più accreditata oggi sull'origine dei primi organismi eucariotici è quella dell'endosimbiosi
Prima della comparsa degli eucarioti, per più di 2 miliardi di anni, la vita sulla Terra era dominata dai procarioti, microrganismi privi di nucleo, che ancora oggi rappresentano due dei tre domini fondamentali della vita: gli Archea e i batteri.
La teoria più accreditata oggi sull'origine dei primi organismi eucariotici è quella dell'endosimbiosi, avanzata dalla microbiologa Lynn Margulis negli anni '60 del secolo scorso, secondo cui la cellula eucariotica è il risultato dell'unione di un protobatterio e un Archea. Tutte le cellule eucariotiche ospitano al loro interno degli organelli: i mitocondri sono presenti in tutte le cellule animali e i cloroplasti in tutte le cellule vegetali. I mitocondri sono le “batterie” delle cellule eucariotiche e sono dotati di un Dna tutto loro, indipendente da quello nucleare. Ciò significa che questi organelli sono nati come organismi indipendenti e a un certo punto della storia della vita sono stati inglobati in un'altra cellula, sono entrati in simbiosi con essa e non si sono più separati, sopravvivendo e riproducendosi come un sol organismo. La cooperazione tra un protobatterio, il mitocondrio, e un Archea, la cellula ospite procariotica, ha dato vita, 1.8 miliardi di anni fa, al terzo dominio della vita, la cellula eucariotica, che da lì in poi si è evoluta in forme via via sempre più complesse del regno animale, vegetale e dei funghi.
Oltre che dal nucleo e dai mitocondri, le cellule eucariotiche sono caratterizzate dalla presenza di un complesso sistema di membrane interne e da una rete di proteine, il citoscheletro, che include la profilina e l'actina. Fino a poco tempo fa si pensava che solo gli eucarioti avessero queste caratteristiche e la comparsa di questa complessità di strutture è da sempre stata un dilemma per i biologi evoluzionisti.
“ La cooperazione tra un protobatterio, il mitocondrio, e un Archea, la cellula ospite procariotica, ha dato vita, 1.8 miliardi di anni fa, al terzo dominio della vita, la cellula eucariotica
Nel 2015, a 2500 metri sotto la superficie del mar glaciale Artico, a metà strada tra Norvegia e Groenlandia, è stato individuato su un camino idrotermale, una struttura geologica simile a un castello da cui esce acqua ad alte temperature, un nuovo gruppo di Archea cui è stato dato il nome di Lokiarchaeota. Questo gruppo tassonomico andava ad accostarsi ad altri gruppi noti di Archea, chiamati Thorarchaeota, Odinarchaeota e Heimdallarchaeota e che formano il superphylum degli Asgard. Il camino idrotermale dove è stato trovato il nuovo gruppo di Archea è stato chiamato “castello di Loki”.
Diciamo che non è possibile dimostrare se per questa nomenclatura tassonomica si sia attinto alla mitologia nordica (di cui Odino, Thor e Loki sono le divinità, Asgard la loro dimora) o all'universo Marvel (per un approfondimento sui rapporti tra scienza e fantascienza si rimanda chi fosse interessato a questo articolo di Michele Bellone). L'esperienza sul campo ci può portare ad asserire che gli stereotipi nella scienza non sempre riflettono una realtà distorta: lo “scienziato nerd” esiste ed è fortemente rappresentato all'interno della comunità.
Il "castello di Loki" è una sorgene idrotermale scoperta nelle profondità del mar glaciale Artico dai ricercatori del centro di geobiologia in Norvegia. Fonte: https://astrobiology.nasa.gov/news/a-disputed-origin-for-eukaryotes/.
Ma torniamo alla scienza. L'aspetto più interessante dei Lokiarchaeota è che costituiscono un gruppo monofiletico con gli eucarioti: ciò significa che i Lokiarchaeota sono il gruppo di organismi non eucarioti più strettamente imparentati con gli eucarioti e che l'antenato comune tra Lokiarchaeota e eucarioti era probabilmente molto simile a un Lokiarchaeota. A riprova di questa parentela evolutiva, lo studio del 2015 aveva trovato che i Lokiarchaeota sono muniti di un corredo genetico capace di codificare per un insieme di proteine coinvolte in funzioni e processi che si pensavano essere esclusivi degli eucarioti. Lo studio concludeva ipotizzando che molte componenti che si ritenevano esclusive degli eucarioti erano già presenti nell'antenato Archea. Il repertorio di proteine che si pensavano essere specifiche degli eucarioti trovate anche negli Archea è stato poi ampliato da un altro lavoro del 2017.
“ Molte componenti che si ritenevano esclusive degli eucarioti erano già presenti nell'antenato Archea
A lungo però si è fatto fatica a comprendere il funzionamento di questi “geni eucariotici”, e delle proteine ad essi associati, negli Archea, anche perché questi ultimi sono noti solo tramite meta-analisi genetiche e non si è ancora in grado di coltivarli in vitro.
Negli eucarioti la profilina è una proteina che regola la formazione (polimerizzazione) dell'actina, un'altra proteina che compone i filamenti del citoscheletro. Questi filamenti hanno funzioni molto importanti, sono fondamentali per il movimento di vescicole e organelli, per la forma che la cellula assume e per la fagocitosi, ovvero per la “digestione” di altre particelle o cellule.
Nello studio appena pubblicato, Akil e Robinson hanno ricreato queste proteine in laboratorio utilizzando dei plasmidi, ovvero il Dna dei batteri Escherichia coli. Hanno osservato che la struttura della profilina degli Archea e quella umana hanno qualche divergenza strutturale, ma sono topologicamente simili. Hanno quindi testato se la profilina Archea fosse in grado di interagire con l'actina eucariotica; a dispetto del fatto che queste proteine siano separate da più di due miliardi di anni di evoluzione, la profilina archea ha interagito funzionalmente con l'actina dei mammiferi (anche se non tanto bene quanto avrebbe fatto la profilina di mammiferi).
I ricercatori hanno concluso che gli Archea del superphylum Asgard contengono un citoscheletro primitivo con actina regolata da profilina, ovvero un tratto che si pensava essere esclusivo della cellula eucariotica.
Lo studio rappresenta un'ulteriore conferma della teoria dell'endosimbiosi e al contempo fa un passo avanti, delineando l'identikit dell'antenato comune a tutti gli eucarioti. Secondo i ricercatori, le componenti complesse della cellula eucariotica probabilmente non si sono evolute grazie all'apporto energetico dei mitocondri, ma prima dell'evento simbiotico; le cellule Archea erano e sono in grado di produrre una quantità di energia sufficiente (anche se non se ne conosce ancora la fonte) a ospitare un primitivo sistema di membrane interne; infine, proprio la presenza di membrane interne potrebbe aver facilitato l'interazione con i mitocondri che ha portato alla simbiosi primigenia, da cui noi tutti siamo evoluti.
