Una antica endosimbiosi alla base dell’evoluzione dei procarioti
La simbiosi si rivela ogni giorno sempre più un potentissimo meccanismo che ha caratterizzato l’evoluzione di procarioti ed eucarioti. In particolare, le potenzialità evolutive che derivano dalla simbiosi sono enormemente maggiori rispetto a quelle derivanti dal trasferimento orizzontale (o laterale) in cui singoli geni vengono trasferiti, poiché nel caso della simbiosi (ed in particolare della endosimbiosi), interi genomi possono essere […]
La simbiosi si rivela ogni giorno sempre più un potentissimo meccanismo che ha caratterizzato l’evoluzione di procarioti ed eucarioti. In particolare, le potenzialità evolutive che derivano dalla simbiosi sono enormemente maggiori rispetto a quelle derivanti dal trasferimento orizzontale (o laterale) in cui singoli geni vengono trasferiti, poiché nel caso della simbiosi (ed in particolare della endosimbiosi), interi genomi possono essere acquisiti, così come intere vie metaboliche o nuove funzioni possono essere integralmente trasferite. Gli effetti di tale processo sono facilmente comprensibili se si pensa all’importanza di cloroplasti e mitocondri nelle cellule eucariotiche, la cui acquisizione deriva da un processo di endosimbiosi.
L’ultimo fascicolo della rivista Nature presenta un’interessante perspective scritta da James Lake (University of California, USA) dal titolo “Evidence for an early prokaryotic endosymbiosis”, in cui si analizza la possibilità che l’endosimbiosi abbia giocato un ruolo di grande importanza anche nell’evoluzione dei procarioti e possa essere alla base della loro grande diversità.
L’idea che anche i procarioti possano ricorre all’endosimbiosi non è particolarmente azzardata se si pensa che, ad esempio, in alcuni coccidi è presente un batterio endosimbionte (della specie Buchnera) che a sua volta contiene nel citoplasma un simbionte dato da un gamma-protobatterio, come pubblicato su Nature da von Dohlen nel 2001.
In che modo l’endosimbiosi potrebbe avere contribuito all’evoluzione dei procarioti? Secondo Lake, i batteri gram negativi potrebbero derivare da un processo di endosimbiosi. Un primo aspetto che potrebbe supportare questa ipotesi è legata al fatto che i batteri gran negativi hanno una membrana esterna costituita da un doppia strato di fosfolipidi, a differenza dei gram positivi la cui membrana è a singolo strato. Questo potrebbe fare supporre che il secondo strato sia rimasto come “ricordo” dalla fusione tra due procarioti. In particolare anche a livello di struttura la membrana interna presente nei gram negativi è del tutto simile a quelle esterna (ed in realtà unica!) dei gram positivi, a suggerire che “la membrana interna dei procarioti gram negativi derivi dalla membrana esterna di una cellula procariotica che è stata inclusa all’interno di una seconda cellula”.
La prova più convincente di questa ipotesi deve però risiedere nel genoma dato che se due cellule procarioti si sono in un qualche modo “fuse”, anche i loro genomi devono essersi uniti o comunque scambiati grandi quantità di materiale genetico di cui dovrebbe trovarsi traccia. Per rispondere a questo quesito Lake ha realizzato un’analisi filogenetica dei procarioti per verificare la presenza di nodi in cui l’albero filogenetico presenta rami che convergono verso una stessa specie ad indicare uno scambio di materiale genetico. Questo approccio ha tra l’altro anche il grande vantaggio di identificare quali procarioti sono entrati in simbiosi e di identificare quindi il simbionte ed il suo ospite.
L’analisi condotta da Lake ha riguardato la presenza/assenza di numerose famiglie di proteine identificate in oltre 3000 specie di procarioti ed ha evidenziato la possibilità di una antica simbiosi tra un clostridio ed un actinomicete (actinobatterio). Questo dato, di per sé già molto interessante, acquista ulteriore interesse perché permette anche di spiegare perché solamente i gram negativi ed i clostridi sono capaci di realizzare la fotosintesi. Tra i procarioti infatti solo i gram negativi e i clostridi sono in grado di fare la fotosintesi e sinora si era ipotizzato che questo derivasse da un trasferimento orizzontale di tutti i geni necessari per la fotosintesi. Questa spiegazione era però poco probabile, mentre il trasferimento mediato da un processo di endosimbiosi rende questo evento enormemente più chiaro poiché i gram negativi avrebbe acquisito integralmente questa funzione a seguito dell’endosimbiosi.
Serviranno indubbiamente altre prove per supportare meglio questa ipotesi però è suggestivo pensare che sia ancora oggi possibile vedere le tracce di una simbiosi avvenuta probabilmente quasi 3 miliardi (!) di anni or sono.
Il lavoro di Lake apre quindi nuove intriganti ed inaspettate prospettive nell’ambito dell’evoluzione della vita e mostra ulteriormente la forza che la teoria dell’evoluzione ha nel capire quali meccanismi hanno giocato un ruolo importante nell’evoluzione dei viventi. Il fatto di potere oggi discutere di una simbiosi avvenuta tra due procarioti quasi 3 miliardi di anni non può infatti che ribadire la potenza della teoria dell’evoluzione e la sua posizione come paradigma incontrastato per spiegare l’evoluzione dei viventi.
Mauro Mandrioli
Fonte immagine: Medical Microbiology
L’ultimo fascicolo della rivista Nature presenta un’interessante perspective scritta da James Lake (University of California, USA) dal titolo “Evidence for an early prokaryotic endosymbiosis”, in cui si analizza la possibilità che l’endosimbiosi abbia giocato un ruolo di grande importanza anche nell’evoluzione dei procarioti e possa essere alla base della loro grande diversità.
L’idea che anche i procarioti possano ricorre all’endosimbiosi non è particolarmente azzardata se si pensa che, ad esempio, in alcuni coccidi è presente un batterio endosimbionte (della specie Buchnera) che a sua volta contiene nel citoplasma un simbionte dato da un gamma-protobatterio, come pubblicato su Nature da von Dohlen nel 2001.
In che modo l’endosimbiosi potrebbe avere contribuito all’evoluzione dei procarioti? Secondo Lake, i batteri gram negativi potrebbero derivare da un processo di endosimbiosi. Un primo aspetto che potrebbe supportare questa ipotesi è legata al fatto che i batteri gran negativi hanno una membrana esterna costituita da un doppia strato di fosfolipidi, a differenza dei gram positivi la cui membrana è a singolo strato. Questo potrebbe fare supporre che il secondo strato sia rimasto come “ricordo” dalla fusione tra due procarioti. In particolare anche a livello di struttura la membrana interna presente nei gram negativi è del tutto simile a quelle esterna (ed in realtà unica!) dei gram positivi, a suggerire che “la membrana interna dei procarioti gram negativi derivi dalla membrana esterna di una cellula procariotica che è stata inclusa all’interno di una seconda cellula”.
La prova più convincente di questa ipotesi deve però risiedere nel genoma dato che se due cellule procarioti si sono in un qualche modo “fuse”, anche i loro genomi devono essersi uniti o comunque scambiati grandi quantità di materiale genetico di cui dovrebbe trovarsi traccia. Per rispondere a questo quesito Lake ha realizzato un’analisi filogenetica dei procarioti per verificare la presenza di nodi in cui l’albero filogenetico presenta rami che convergono verso una stessa specie ad indicare uno scambio di materiale genetico. Questo approccio ha tra l’altro anche il grande vantaggio di identificare quali procarioti sono entrati in simbiosi e di identificare quindi il simbionte ed il suo ospite.
L’analisi condotta da Lake ha riguardato la presenza/assenza di numerose famiglie di proteine identificate in oltre 3000 specie di procarioti ed ha evidenziato la possibilità di una antica simbiosi tra un clostridio ed un actinomicete (actinobatterio). Questo dato, di per sé già molto interessante, acquista ulteriore interesse perché permette anche di spiegare perché solamente i gram negativi ed i clostridi sono capaci di realizzare la fotosintesi. Tra i procarioti infatti solo i gram negativi e i clostridi sono in grado di fare la fotosintesi e sinora si era ipotizzato che questo derivasse da un trasferimento orizzontale di tutti i geni necessari per la fotosintesi. Questa spiegazione era però poco probabile, mentre il trasferimento mediato da un processo di endosimbiosi rende questo evento enormemente più chiaro poiché i gram negativi avrebbe acquisito integralmente questa funzione a seguito dell’endosimbiosi.
Serviranno indubbiamente altre prove per supportare meglio questa ipotesi però è suggestivo pensare che sia ancora oggi possibile vedere le tracce di una simbiosi avvenuta probabilmente quasi 3 miliardi (!) di anni or sono.
Il lavoro di Lake apre quindi nuove intriganti ed inaspettate prospettive nell’ambito dell’evoluzione della vita e mostra ulteriormente la forza che la teoria dell’evoluzione ha nel capire quali meccanismi hanno giocato un ruolo importante nell’evoluzione dei viventi. Il fatto di potere oggi discutere di una simbiosi avvenuta tra due procarioti quasi 3 miliardi di anni non può infatti che ribadire la potenza della teoria dell’evoluzione e la sua posizione come paradigma incontrastato per spiegare l’evoluzione dei viventi.
Mauro Mandrioli
Fonte immagine: Medical Microbiology
Biologo e genetista all’Università di Modena e Reggio Emilia, dove studia le basi molecolari dell’evoluzione biologica con particolare riferimento alla citogenetica e alla simbiosi. Insegna genetica generale, molecolare e microbica nei corsi di laurea in biologia e biotecnologie. Ha pubblicato più di centosessanta articoli su riviste nazionali internazionali e tenuto numerose conferenze nelle scuole. Nel 2020 ha pubblicato per Zanichelli il libro Nove miliardi a tavola- Droni, big data e genomica per l’agricoltura 4.0. Coordina il progetto More Books dedicato alla pubblicazione di articoli e libri relativi alla teoria dell’evoluzione tra fine Ottocento e inizio Novecento in Italia.
