Origine della vita: come i microbi hanno gettato le basi per le cellule complesse
Chi sono i nostri antenati? Forse un gruppo speciale di organismi unicellulari che hanno un citoscheletro simile a quello di organismi complessi come animali e piante
Dieci anni fa nessuno sapeva della loro esistenza: gli archei di Asgard. Ma nel 2015, alcuni ricercatori norvegesi hanno trovato nei sedimenti delle profondità marine frammenti di materiale genetico che indicavano una nuova forma di protozoo precedentemente sconosciuta.
Il corpo cellulare e le proiezioni di un archeo Asgard contengono strutture scheletriche filamentose (arancione: actina, verde: microtubuli), che si trovano anche nelle cellule complesse con nucleo cellulare.
Margot Riggi, Max Planck Institute of Biochemistry
Albero genealogico ridisegnato: Gli eucarioti discendono dagli archei di Asgard.
Florian Wollweber / ETH Zürich
Utilizzando questi frammenti, i ricercatori hanno messo insieme l'intero genoma al computer come un puzzle. Solo allora si sono resi conto di avere a che fare con un gruppo di archei precedentemente sconosciuto.
Come i batteri, gli archei sono organismi unicellulari. Tuttavia, si differenziano notevolmente da essi dal punto di vista genetico, dell'involucro cellulare e del metabolismo.
Attraverso ulteriori ricerche, i microbiologi hanno poi trovato gli organismi corrispondenti, li hanno descritti e classificati in un proprio sottogruppo di archei: gli archei Asgard, che prendono il nome dal paradiso degli dei delle saghe norrene, perché il primo sito in cui sono stati trovati era vicino a un fumaiolo nero chiamato Castello di Loki, sulla dorsale medio-atlantica tra la Norvegia e Spitsbergen.
Per i ricercatori, gli archei di Asgard sono stati una specie di manna dal cielo: si sono rivelati l'"anello mancante" tra gli archei e gli eucarioti, cioè gli organismi le cui cellule hanno un nucleo e che comprendono anche piante e animali.
Albero della vita con un ramo in meno
Negli ultimi anni, gli scienziati hanno trovato sempre più prove del fatto che gli archei e gli eucarioti di Asgard devono essere strettamente correlati e che i secondi potrebbero essersi evoluti dai primi. La categorizzazione di tutti gli organismi viventi nei tre domini dei batteri, degli archei e degli eucarioti non ha retto a questa sorprendente scoperta.
Alcuni ricercatori suggeriscono ora di considerare gli eucarioti come un gruppo all'interno degli archei Asgard. Ciò ridurrebbe il numero di domini della vita da tre a due: Archei, compresi gli eucarioti, e batteri.
Anche Martin Pilhofer, professore del Politecnico di Zurigo, e il suo team sono affascinati dagli archei di Asgard e studiano questi misteriosi microbi da diversi anni.
In una pubblicazione sulla rivista scientifica Nature di due anni fa, i ricercatori dell'ETH sono stati i primi a esaminare i dettagli della struttura e dell'architettura cellulare di Lokiarchaeum ossiferum, un archeo Asgard che i ricercatori del gruppo di lavoro di Christa Schleper dell'Università di Vienna avevano isolato dai sedimenti di un canale di acqua salmastra in Slovenia.
In quell'occasione, Pilhofer e i suoi studenti post-dottorato Jingwei Xu e Florian Wollweber hanno dimostrato che Lokiarchaeum ossiferum presenta alcune strutture tipiche degli eucarioti. "In questa specie abbiamo trovato una proteina di actina molto simile a quella degli eucarioti - e presente in quasi tutti gli archei Asgard finora conosciuti", spiega Pilhofer.
Grazie a una combinazione di diversi metodi di microscopia, nel primo studio sono riusciti a dimostrare che questa proteina, nota come actina Loki, forma aste di impalcatura simili a fili. Queste sono comuni nei numerosi bracci cellulari a forma di tentacolo dei microbi. "Costituiscono quindi lo scheletro della complessa architettura cellulare degli archei Asgard", aggiunge Florian Wollweber.
Oltre ai filamenti di actina, gli eucarioti hanno anche i microtubuli. Queste strutture tubolari sono il secondo importante elemento costitutivo del citoscheletro e sono costituite da numerose proteine tubuline. Questi mini-tubuli sono importanti per il trasporto all'interno della cellula o per la divisione dei cromosomi durante la divisione cellulare.
Microtubuli più piccoli rispetto agli eucarioti
In passato l'origine dei microtubuli non era chiara. In uno studio appena pubblicato sulla rivista scientifica externe Seite Cell, i ricercatori dell'ETH hanno ora trovato strutture affini negli archei Asgard e ne hanno chiarito la struttura. Questi esperimenti dimostrano che le varianti di Asgard formano microtubuli molto simili ma più piccoli dei loro parenti eucariotici.
Tuttavia, solo alcune cellule del lociarcheo formano questi microtubuli. A differenza dell'actina, anche le proteine della tubulina si trovano solo in pochissimi rappresentanti degli archei Asgard.
Gli scienziati non sanno ancora perché le tubuline si trovino solo raramente negli archei Loki e perché le cellule ne abbiano bisogno. Negli eucarioti, i filamenti di tubulina sono responsabili del trasporto all'interno della cellula. In alcuni casi, ci sono anche proteine motrici che si "muovono" lungo di essi. I ricercatori dell'ETH non hanno ancora osservato tali proteine motrici negli archei di Asgard.
"Tuttavia, abbiamo dimostrato che i tubuli, composti da tubuline, crescono a un'estremità. Sospettiamo quindi che svolgano funzioni di trasporto simili a quelle dei microtubuli negli eucarioti", afferma Jingwei Xu, secondo autore principale dello studio su Cell. Ha prodotto le tubuline in coltura cellulare con cellule di insetto e ne ha analizzato la struttura.
Ricercatori provenienti dai campi della microbiologia, della biochimica, della biologia cellulare e della biologia strutturale hanno collaborato strettamente allo studio. "Senza questo approccio interdisciplinare, non saremmo mai arrivati a questo punto", sottolinea Pilhofer con orgoglio.
Lo scheletro cellulare come prerequisito per un ulteriore sviluppo?
Nonostante le domande senza risposta, per i ricercatori è chiaro che il citoscheletro è stato importante per il passaggio evolutivo verso gli eucarioti. Un passo che potrebbe essere avvenuto in questo modo: in epoca preistorica, un archeo Asgard avvolse le sue appendici attorno a un batterio. Nel corso dell'evoluzione, questo batterio si è sviluppato nel mitocondrio, che funge da centrale elettrica per le cellule moderne. Con il tempo, si sono sviluppati il nucleo e altri compartimenti cellulari: è nata la cellula eucariotica.
"Lo speciale citoscheletro è stato probabilmente all'inizio di questo sviluppo. Potrebbe aver permesso agli archei di Asgard di formare appendici, che potrebbero averli aiutati a catturare un batterio e a incorporarlo", dice Pilhofer.
Alla ricerca degli archei di Asgard
Pilhofer e il suo team intendono poi studiare la funzione dei filamenti di actina e della tubulina degli archei, nonché dei microtubuli costruiti a partire da essi.
Vogliono anche identificare le proteine che i ricercatori hanno scoperto sulla superficie dei microbi. Pilhofer spera di poter sviluppare anticorpi che corrispondano esattamente a queste proteine. I ricercatori vorrebbero poi usarli per pescare in modo specifico gli archei Asgard nelle colture microbiche miste.
"Ci sono ancora molte domande senza risposta sugli archei Asgard, in particolare per quanto riguarda la loro relazione con gli eucarioti e la loro particolare biologia cellulare", dice Pilhofer. "È affascinante scoprire i segreti di questi microbi".
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Pubblicazione originale
Thiago Rodrigues-Oliveira, Florian Wollweber, Rafael I. Ponce-Toledo, Jingwei Xu, Simon K.-M. R. Rittmann, Andreas Klingl, Martin Pilhofer, Christa Schleper; "Actin cytoskeleton and complex cell architecture in an Asgard archaeon"; Nature, Volume 613, 2022-12-21
Florian Wollweber, Jingwei Xu, Rafael I. Ponce-Toledo, Florina Marxer, Thiago Rodrigues-Oliveira, Anja Pössnecker, Zhen-Hao Luo, Jessie James Limlingan Malit, Anastasiia Kokhanovska, Michal Wieczorek, Christa Schleper, Martin Pilhofer; "Microtubules in Asgard archaea"; Cell
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