L’origine doppia delle prime cellule viventi

L’origine della vita viene spesso raccontata come il passaggio improvviso dalla chimica alla prima cellula, quasi che a un certo punto sia comparso un organismo già provvisto di una membrana, di un metabolismo completo e di tutto ciò che gli occorreva per vivere lontano dal luogo in cui era nato. Un nuovo lavoro pubblicato su "Science Advances" propone una storia diversa, nella quale la vita avrebbe attraversato una lunga fase di dipendenza dall’ambiente minerale e soltanto in seguito avrebbe acquisito, per due vie separate, la capacità di sostenersi come cellula autonoma. Batteri e archei discenderebbero così da un antenato comune ancora legato alle sorgenti idrotermali, ma avrebbero completato indipendentemente la propria emancipazione dalla geologia, dando origine a due architetture cellulari profondamente differenti.

Il luogo proposto dagli autori è costituito dalle sorgenti idrotermali alcaline alimentate dalla serpentinizzazione, una reazione tra acqua e rocce del fondo oceanico che produce idrogeno e crea ambienti ricchi di metalli capaci di favorire trasformazioni chimiche. Le pareti minerali sono attraversate da una rete di minuscole cavità nelle quali le sostanze possono concentrarsi, mentre la differenza di acidità tra i fluidi della sorgente e l’acqua marina fornisce un gradiente naturale utilizzabile come fonte di energia. In questo scenario, la chimica necessaria alla vita cominciò prima che esistessero cellule capaci di produrla interamente: alcune reazioni avvenivano grazie a molecole biologiche e proteine primitive, altre erano promosse dal ferro, dal nichel, dal cobalto e da altri catalizzatori presenti nella roccia.

Quella forma primordiale di vita non coincide con una semplice miscela di sostanze organiche. L’antenato comune di batteri e archei, indicato con la sigla LUCA, possedeva già il codice genetico, i ribosomi che leggono quel codice e il sistema necessario per fabbricare proteine. LUCA non rappresenta la prima entità vivente comparsa sulla Terra, bensì il più recente antenato dal quale discendono tutte le cellule attuali. Secondo la nuova ricostruzione, il suo metabolismo enzimatico era ancora incompleto: poteva trasmettere informazione genetica e produrre enzimi, mentre continuava a ricevere dall’ambiente una parte delle reazioni e dei composti indispensabili alla propria esistenza.

Per risalire a una fase tanto remota, gli autori hanno confrontato gli enzimi presenti in 552 genomi batterici e 401 genomi di archei, esaminando sia le sequenze sia la struttura tridimensionale delle proteine. La struttura conserva tracce di parentela più a lungo della sequenza e permette quindi di riconoscere omologie che miliardi di anni di evoluzione hanno reso difficili da identificare. Partendo dalle circa quattrocento reazioni con cui le cellule moderne producono amminoacidi, nucleotidi e cofattori a partire da sostanze semplici, i ricercatori hanno attribuito 166 famiglie enzimatiche a LUCA. Altre 89 sarebbero comparse lungo il ramo che conduce all’antenato dei batteri moderni, mentre 38 appartengono al ramo degli archei; per ulteriori famiglie la distribuzione è troppo frammentaria per consentire un’assegnazione sicura.

La parte del metabolismo dedicata alla produzione dei nucleotidi, dai quali dipendono DNA e RNA, appare già sostanzialmente completa nell’antenato comune. La sintesi degli amminoacidi, dei cofattori e di numerosi intermedi del metabolismo del carbonio conserva invece ampie lacune. La differenza ha un significato comprensibile: la funzione informazionale dei nucleotidi e quindi del codice genetico non poteva essere delegata alla roccia, mentre molte reazioni chimiche necessarie a produrre molecole più semplici potevano ancora essere accelerate dai metalli della sorgente idrotermale. Per quasi metà delle reazioni considerate, gli autori raccolgono esperimenti nei quali lo stesso passaggio, un passaggio analogo oppure un’intera sequenza metabolica avvengono in acqua senza enzimi, in presenza di metalli e in condizioni compatibili con un sistema idrotermale.

Il metabolismo più antico sarebbe stato quindi distribuito tra l’organismo e il luogo in cui esso viveva. Le molecole ereditarie e le proteine garantivano la continuità biologica, mentre la sorgente forniva reagenti, catalizzatori ed energia. La distinzione tra organismo e ambiente, oggi apparentemente netta, aveva allora contorni più sfumati: togliere quel sistema dai pori minerali avrebbe significato privarlo di una parte essenziale della propria biochimica.

L’acquisizione dell’autonomia sarebbe avvenuta quando gli organismi cominciarono a sostituire le funzioni della roccia con componenti fabbricati dal proprio metabolismo. I cofattori, piccole molecole che aiutano gli enzimi a trasferire elettroni o frammenti chimici, avrebbero rappresentato sostituti mobili e selettivi dei metalli solidi. Un catalizzatore minerale può promuovere molte reazioni differenti senza particolare precisione; un enzima associato al proprio cofattore riconosce invece determinati substrati e permette alla selezione naturale di controllare la velocità dei singoli passaggi. La rete metabolica acquistò così la capacità di produrre internamente anche gli strumenti necessari al proprio funzionamento.

È a questo punto che la storia della vita si divide in due. Batteri e archei ereditarono da LUCA il codice genetico, il ribosoma e una parte consistente del metabolismo, ma completarono separatamente ciò che ancora mancava. Il lavoro identifica cinque reazioni per le quali i due regni di microrganismi impiegano enzimi privi di una struttura comune riconoscibile. Poiché la trasformazione chimica è la stessa mentre le proteine che la realizzano appartengono a famiglie differenti, la spiegazione più semplice è che batteri e archei abbiano inventato indipendentemente due soluzioni allo stesso problema.

L’indipendenza dalla sorgente idrotermale di origine richiedeva anche la produzione autonoma di energia. Una cellula libera deve mantenere una differenza di concentrazione ionica tra interno ed esterno e utilizzare il flusso degli ioni per alimentare la sintesi di ATP. Nei pori idrotermali il gradiente era fornito dalla geologia; fuori dalla sorgente doveva essere generato dalla cellula. Secondo la ricostruzione proposta, i due rami svilupparono apparati differenti per collegare le reazioni energeticamente favorevoli al pompaggio degli ioni attraverso la membrana, sostituendo così il gradiente naturale con uno costruito biologicamente.

Anche le membrane seguirono strade diverse. Nei batteri le membrane sono fatte soprattutto da molecole simili a grassi semplici, mentre negli archei sono fatte da molecole diverse e più resistenti, disposte in modo speculare e con collegamenti differenti. Cambiano i costituenti, la loro disposizione chimica e gli enzimi che li producono. Questa separazione, conosciuta come "lipid divide", è tanto profonda da aver fatto discutere per decenni quale tipo di membrana possedesse LUCA. Il modello degli autori suggerisce che le prime strutture di contenimento fossero membrane molto semplici, formate spontaneamente da molecole presenti nell’ambiente, e che solo in seguito batteri e archei abbiano sviluppato in modo indipendente i sistemi enzimatici necessari per costruire le proprie membrane moderne.

Alla fine del processo, dalla stessa matrice biologica erano emerse due forme cellulari capaci di allontanarsi dalla sorgente. Condividevano il linguaggio del codice genetico e il funzionamento fondamentale dei ribosomi, ma differivano nella composizione delle membrane, in numerosi enzimi e nelle macchine impiegate per governare l’energia. Il codice genetico e la discendenza biologica avrebbero dunque avuto una sola origine, mentre la cellula indipendente, capace di vivere senza il sostegno catalitico della roccia, sarebbe comparsa due volte.

Questa interpretazione incontra inevitabilmente i limiti imposti dalla profondità temporale. I geni possono essere perduti, sostituiti oppure trasferiti da un gruppo all’altro, e molti enzimi degli archei rimangono poco caratterizzati. Gli stessi autori riconoscono che la maggiore conoscenza dei batteri può far apparire più numerose le innovazioni del loro ramo. Gli analoghi geochimici sono stati dimostrati soltanto per una parte della rete, mentre le altre reazioni richiederanno catalizzatori ancora sconosciuti oppure spiegazioni differenti. Il lavoro offre dunque una ricostruzione coerente sostenuta da confronti genomici e da esperimenti chimici, non una registrazione diretta degli eventi avvenuti quasi quattro miliardi di anni fa.

La separazione tra batteri e archei non costituisce tuttavia la conclusione della storia cellulare. Molto tempo dopo, un archeo appartenente a una linea imparentata con gli attuali Asgard entrò in una relazione stabile con un batterio vicino agli alphaproteobatteri. Il batterio divenne il progenitore del mitocondrio, mentre l’associazione tra i due partner contribuì alla nascita della cellula eucariotica, dalla quale discendono animali, piante, funghi e numerosi organismi unicellulari. La sequenza precisa degli eventi rimane discussa, ma l’origine endosimbiotica del mitocondrio e la parentela archeale dell’ospite sono sostenute da dati filogenomici convergenti.

Gli eucarioti conservano tuttora i segni di quella unione. I sistemi che governano la lettura e la trasmissione dell’informazione genetica mostrano una forte ascendenza archeale, mentre il mitocondrio e numerose funzioni metaboliche derivano dal contributo batterico. Studi recenti indicano che la composizione fu ancora più complessa, con geni provenienti da altri batteri acquisiti durante una lunga fase di relazioni all’interno delle comunità microbiche. Anche il metabolismo centrale degli eucarioti conserva una struttura chimerica, nella quale componenti provenienti dall’ospite archeale e dal partner batterico sono state integrate e riorganizzate nel corso di oltre due miliardi di anni.

La cellula eucariotica può essere considerata, in questo senso, una terza soluzione. Non rappresenta il semplice ritorno alla condizione precedente alla separazione, perché batteri e archei avevano ormai accumulato innovazioni proprie e incompatibilità profonde. La simbiosi riunì parti dei due patrimoni all’interno di un’organizzazione nuova, nella quale il discendente del batterio continuò a produrre energia come mitocondrio e il retaggio archeale fornì gran parte dell’apparato informativo e della struttura della cellula ospite.

La storia suggerita dal nuovo lavoro comincia quindi con una vita che non poteva esistere senza la propria sorgente idrotermale. Da quella dipendenza comune nacquero due modi diversi di costruire una cellula libera, separati abbastanza a lungo da diventare i due grandi rami primari dell’evoluzione. Quando alcuni loro discendenti tornarono a incontrarsi, la loro integrazione produsse la complessità eucariotica. L’ambiente geologico aveva inizialmente completato ciò che la vita non sapeva ancora fare; in seguito batteri e archei "impararono" separatamente a sostituirlo, mentre la cellula eucariotica, la nostra cellula, nacque dalla capacità di combinare, dentro uno stesso sistema, le conquiste ottenute lungo entrambe le strade.