Thor, Loki, Odino and Co: gli Asgard-microbi fanno luce sull’origine della complessità delle cellule eucariote

Asgard 1

Uno studio riporta la scoperta di un gruppo di microorganismi che possiedono un ricco repertorio di geni tipici degli eucarioti. I risultati aiutano a far luce su come le complesse cellule di animali, piante e funghi si siano evolute da quelle più semplici degli antenati procarioti

Tutti gli esseri viventi sono raggruppati in tre grandi domini a seconda del loro tipo di cellula. Uno di questi comprende tutti gli organismi che hanno una cellula complessa a compartimenti, chiamata eucariote. Gli altri due gruppi, i Batteri e gli Archea, annoverano una moltitudine di microbi con caratteristiche profondamente diverse tra loro, ma tutti con una cellula più semplice procariote.

L'origine della complessità cellulare degli eucarioti rappresenta da sempre uno dei più grandi enigmi della Biologia. I dati attualmente in nostro possesso suggeriscono che una cellula “ospite” ed un ex alfaproteobatterio endosimbionte (ora mitocondrio) si siano fusi a formare la prima cellula eucariote.

A differenza dell'identità del proto-mitocondrio, ormai sicura, quella della cellula ospite è rimasta per lungo tempo sconosciuta. Solo recentemente la scoperta del gruppo archea Lokiarchaeota ha fatto luce sulla loro origine.

In uno studio pubblicato su Nature, un gruppo di ricercatori ha raccolto sedimenti acquiferi in diverse regioni del globo, estratto e sequenziato il DNA contenuto, alla ricerca di geni archea simili a quelli dei Lokiarchaeota. In questo modo sono state identificate numerose sequenze di archea appartenenti a questo gruppo, a quello Thorarchaeota, oppure a loro affini. Zaremba-Niedzwiedzka e colleghi hanno così identificato altri due nuovi phyla chiamati poi Odinarchaeota e Heimdallarchaeota, raggruppati insieme ai precedenti nel grande superphylum Asgard.

Analisi filogenomiche effettuate sulle sequenze ottenute hanno poi dimostrato che gli eucarioti si sarebbero evoluti a partire da archea “Asgardiani”, i nostri parenti procarioti più prossimi. Tuttavia, il gruppo coordinato da Thijs J. G. Ettema non è stato in grado di chiarire con precisione da quale phylum (Thor-, Loki-, Odin- o Heimdallarchaeota) si sono originate le cellule eucarioti.

Nelle linee archea “Asgardiane” sono stati identificati geni codificanti numerose proteine tipicamente eucarioti. Tra questi geni erano presenti gli omologhi dei componenti chiave del citoscheletro, di alcuni enzimi coinvolti nel processamento dell'informazione genetica, e di proteine che partecipano al trasporto cellulare (anche tra organelli) o alla secrezione. Questo indicava che alcune famiglie di proteine fondamentali per il funzionamento della cellula eucariote erano già presenti nell'antenato archea. Quindi, i risultati suggerivano che l'origine del sistema di trasporto vescicolare aveva preceduto quella del mitocondrio. Ulteriori studi sono comunque necessari per determinare sperimentalmente se le funzioni di queste proteine archea siano o meno equivalenti a quelle delle controparti eucarioti.

In definitiva, queste analisi dimostrano come l'ultimo antenato comune tra archea ed eucarioti fosse già dotato di un kit cellulare “eucariote”, benché incompleto. È quindi probabile che questo antenato comune fosse in grado di formare compartimenti cellulari come vescicole di trasporto, sebbene ad un livello sicuramente più primitivo dei moderni eucarioti.

Nel mondo dei procarioti, questa capacità di formare strutture o compartimenti non rappresenta un'eccezione. Infatti, altri esempi a riguardo sono i tilacoidi nei cianobatteri, i magnetosomi nei megnetotattici o altri tipi di vescicole presenti sia in altri batteri che negli archea.

Ma allora perché una particolare linea di archea “Asgardiani” avrebbe evoluto quella complessità cellulare caratteristica degli eucarioti? È possibile che la spinta dietro questo aumento di complessità sia stata l'acquisizione dei mitocondri. Questo evento ha sicuramente messo a disposizione della cellula una quantità maggiore di energia, che avrebbe permesso un aumento delle dimensioni cellulari, la formazione delle sofisticate strutture intracellulari e lo sviluppo di meccanismi efficienti di fagocitosi ed endocitosi.

 

Riferimento: 
Zaremba-Niedzwiedzka KCaceres EFSaw JHBäckström DJuzokaite LVancaester ESeitz KWAnantharaman KStarnawski PKjeldsen KUStott MBNunoura TBanfield JFSchramm ABaker BJSpang AEttema TJ. Asgard archaea illuminate the origin of eukaryotic cellular complexity. Nature. 2017 Jan 19;541(7637):353-358. doi: 10.1038/nature21031

Immagine: Eva Fernandez-Caceres