Alle origini della vita complessa, gli indizi nascosti negli archei

Su Nature  si racconta una competizione scientifica abbastanza insolita: diversi gruppi stanno cercando di coltivare alcuni fra i microrganismi più difficili da far crescere che conosciamo, cellule minuscole recuperate dai sedimenti marini e da altri ambienti poveri di ossigeno, capaci di impiegare giorni o settimane per dividersi e spesso così dipendenti dagli organismi che vivono accanto a loro da non riuscire a crescere da sole. Appartengono agli Asgard, un gruppo di archei scoperto soltanto una decina di anni fa; gli archei sono microrganismi formati da una sola cellula priva di nucleo, per molto tempo confusi con i batteri e oggi riconosciuti come un ramo profondamente distinto della vita, mentre gli Asgard ci interessano in modo particolare perché sono i parenti conosciuti più vicini alla linea dalla quale nacque la cellula eucariotica, cioè il tipo di cellula di cui siamo fatti noi e di cui sono fatti anche animali, piante, funghi e protisti.

La posta in gioco è quindi molto più grande della scoperta di qualche nuovo microrganismo, perché l’origine della vita cerca di spiegare come, sulla Terra primitiva, la chimica abbia prodotto i primi sistemi capaci di riprodursi ed evolvere, mentre accanto a questa esiste una seconda domanda delle origini, meno conosciuta dal grande pubblico e quasi altrettanto importante: come abbia fatto quella vita, rimasta per un tempo immenso costituita esclusivamente da cellule relativamente semplici, a produrre la cellula complessa dalla quale discende quasi tutto ciò che oggi chiamiamo vita complessa.

Per circa due miliardi di anni dopo la comparsa delle prime forme viventi, sulla Terra esistettero soltanto organismi costituiti da cellule prive di nucleo; batteri e archei raggiunsero, e mantengono ancora oggi, una straordinaria varietà di forme e di metabolismi, dominando molti degli ambienti del pianeta, mentre la loro organizzazione cellulare rimane profondamente diversa dalla nostra. A un certo punto della storia della Terra comparve invece una cellula più grande, dotata di un nucleo nel quale custodire il DNA, di membrane interne capaci di creare compartimenti specializzati e di una rete di filamenti, il citoscheletro, con cui cambiare forma, organizzare il proprio interno e spostare materiali da una regione all’altra; comparvero anche i mitocondri, le strutture che ancora oggi permettono alle nostre cellule di sfruttare con grande efficienza l’energia contenuta nei nutrienti.

Quella fu una delle maggiori transizioni nella storia della vita, perché la multicellularità sarebbe comparsa molto più tardi e in linee evolutive diverse, dando origine separatamente agli animali, alle piante, ai funghi e ad altri organismi pluricellulari, ma tutte queste storie dipendono dalla precedente invenzione della cellula eucariotica. Prima di poter costruire un animale occorreva infatti disporre di cellule capaci di diventare grandi, di controllare finemente la propria forma e il proprio contenuto, di spostare molecole al loro interno e di utilizzare in modo efficiente l’energia; l’eucariogenesi, cioè il processo attraverso il quale nacque questo nuovo tipo di cellula, costituisce quindi in senso molto concreto l’origine della vita complessa.

Uno degli ultimi organismi che potrebbero aiutarci a ricostruire quella transizione si chiama Nerearchaeum marumarumayae ed è stato recuperato nelle comunità microbiche associate agli stromatoliti di Shark Bay, nell’Australia occidentale; gli stromatoliti sono strutture minerali stratificate costruite dall’attività dei microrganismi e sono diventati celebri perché forme simili hanno lasciato alcune delle più antiche tracce della presenza della vita sulla Terra. Dopo anni di lavoro i ricercatori sono riusciti a ottenere una coltura nella quale Nerearchaeum rappresenta circa l’89 per cento delle cellule, mentre il resto della coltura è dominato da un batterio, Stromatodesulfovibrio nilemahensis, e proprio il rapporto fra i due sembra essere parte essenziale della storia.

Nerearchaeum produce alcune piccole molecole che il batterio può utilizzare, mentre il batterio è in grado di fabbricare composti dai quali l’archeo sembra dipendere, cosicché i due organismi non condividono semplicemente lo stesso ambiente, ma intrecciano una parte della propria sopravvivenza attraverso il metabolismo dell’altro. Quando i ricercatori li hanno osservati mediante criotomografia elettronica, una tecnica che consente di ricostruire in tre dimensioni cellule congelate quasi istantaneamente, hanno visto che archeo e batterio possono essere collegati da sottilissime strutture tubulari, e questa osservazione è importante perché rende visibile qualcosa che, nella ricostruzione dell’origine degli eucarioti, occupa da tempo una posizione centrale: la possibilità che una relazione metabolica molto stretta fra un archeo e un batterio abbia preceduto la loro integrazione in una sola cellula.

Il motivo per cui cerchiamo proprio una coppia formata da un archeo e da un batterio dipende da una delle scoperte più spettacolari della biologia del Novecento: i mitocondri presenti nelle nostre cellule discendono da batteri che, in un passato remotissimo, cominciarono a vivere stabilmente all’interno di un’altra cellula e che, nel corso dell’evoluzione, persero una parte enorme della propria autonomia, trasferirono molti dei propri geni nel DNA dell’ospite e finirono per diventare componenti indispensabili della nuova cellula. Il processo viene chiamato endosimbiosi, perché un organismo entra a vivere dentro un altro e la relazione diventa, generazione dopo generazione, tanto stretta da produrre una nuova unità biologica.

Ne portiamo ancora le tracce dentro ogni nostra cellula, dal momento che i mitocondri conservano un piccolo DNA proprio, si dividono in maniera che ricorda quella dei batteri e numerosi loro componenti rivelano chiaramente l’origine batterica; l’evento che li produsse non rappresentò quindi la comparsa dal nulla di una nuova struttura cellulare, ma il risultato dell’unione evolutiva fra due organismi che fino a quel momento avevano avuto storie separate.

Di uno dei due protagonisti sappiamo parecchio, perché il futuro mitocondrio derivava da un batterio appartenente a una grande linea chiamata Alphaproteobacteria, mentre l’identità dell’altro protagonista è stata molto più difficile da ricostruire. Sapevamo che aveva a che fare con gli archei, perché molti dei sistemi fondamentali con cui gli eucarioti copiano il DNA, producono RNA e costruiscono proteine hanno parenti stretti proprio in quel gruppo, ma mancava qualcosa che somigliasse abbastanza al nostro antenato da permettere di immaginare quale tipo di cellula avesse incontrato il futuro mitocondrio.

Nel 2015 il quadro cambiò quando, analizzando DNA recuperato dai sedimenti del fondo marino, i ricercatori ricostruirono il genoma di un organismo fino ad allora sconosciuto, battezzato Lokiarchaeum; negli anni successivi comparvero altri gruppi imparentati, ai quali furono assegnati nomi presi dalla mitologia norrena, fra cui Thor, Odin e Heimdall, e l’intero insieme prese il nome di Asgard.

La loro posizione nell’albero evolutivo attirò immediatamente l’attenzione, perché gli eucarioti risultavano strettamente imparentati con questi archei, e subito dopo arrivò una seconda sorpresa, ancora più importante dal punto di vista biologico: nei loro genomi comparivano geni per proteine simili a quelle che gli eucarioti utilizzano per organizzare la cellula, modificarne la forma e controllarne le membrane, tanto che alcune di quelle proteine erano state considerate fino ad allora quasi un marchio di fabbrica della cellula eucariotica.

Il risultato cambiava il problema, perché diventava possibile immaginare che la cellula dalla quale siamo derivati fosse già più sofisticata di quanto si pensasse prima di incontrare il batterio destinato a diventare il mitocondrio; restava però un limite enorme, dal momento che per anni gli Asgard furono conosciuti quasi esclusivamente attraverso il loro DNA, e cercare di ricostruire il loro comportamento equivaleva in qualche misura a tentare di capire un organismo disponendo del suo manuale genetico senza averlo mai visto.

La svolta successiva arrivò quando alcuni gruppi riuscirono finalmente a coltivarli, e il primo successo fu Prometheoarchaeum syntrophicum, ottenuto dopo più di dieci anni di tentativi a partire da sedimenti marini. È una cellula piccolissima, cresce con estrema lentezza e dipende metabolicamente da altri microrganismi, mentre dalla sua superficie si allungano estensioni sottili e ramificate della membrana.

È soltanto uno dei modelli possibili e molti dettagli rimangono discussi, ma il valore di Prometheoarchaeum stava altrove, perché dimostrava che un archeo appartenente proprio al gruppo più vicino agli eucarioti poteva davvero vivere in dipendenza strettissima da altri microrganismi e produrre grandi estensioni della propria superficie cellulare, facendo uscire così due caratteristiche richieste da alcuni scenari dell’eucariogenesi dal dominio delle pure possibilità teoriche.

Poi è arrivato Lokiarchaeum ossiferum, e osservandolo in tre dimensioni i ricercatori hanno scoperto che dentro la cellula e nelle sue protrusioni corre una rete di filamenti formati da una proteina imparentata con l’actina, una delle principali proteine del nostro citoscheletro, indispensabile per permettere alle cellule eucariotiche di cambiare forma, muoversi e organizzare il proprio interno. La scoperta mostrava quindi che almeno alcuni elementi della macchina cellulare che consideriamo tipicamente eucariotica esistevano già, in forma più semplice, nei nostri parenti archaeali.

Nerearchaeum aggiunge ora un ulteriore elemento, perché consente di osservare direttamente un Asgard legato a un batterio da una relazione metabolica e da contatti fisici ravvicinati e, presi insieme, questi organismi stanno trasformando un problema che fino a pochi anni fa veniva affrontato quasi esclusivamente attraverso il confronto delle sequenze genetiche. Ora possiamo cominciare a vedere le cellule, osservare come costruiscono le loro membrane, capire di quali partner abbiano bisogno e verificare che cosa facciano davvero quelle proteine che condividono una storia evolutiva con le nostre.

Anche le ricostruzioni dei genomi antichi stanno modificando l’immagine dell’evento, perché tutti gli eucarioti oggi esistenti discendono da un antenato comune che i biologi chiamano LECA, dalle iniziali inglesi di Last Eukaryotic Common Ancestor, e LECA non era una cellula rudimentale agli inizi della trasformazione, bensì possedeva già il mitocondrio e gran parte dell’apparato fondamentale di una cellula eucariotica moderna. Quando incontriamo LECA nella ricostruzione evolutiva, quindi, gran parte della rivoluzione è già avvenuta e il vero enigma si trova nel tratto precedente, fra l’antenato archaeale e LECA.

Un lavoro recente ha cercato di stabilire da quale dei due antichi partner provenissero i diversi sistemi cellulari già presenti nell’antenato comune degli eucarioti, e ne emerge un quadro nel quale molte delle strutture necessarie all’organizzazione della cellula sembrano affondare le radici nel versante Asgard, mentre il contributo del batterio antenato del mitocondrio è particolarmente forte nei sistemi legati alla produzione e alla gestione dell’energia.

Se questa ricostruzione continuerà a reggere, l’origine della cellula eucariotica apparirà sempre meno come l’incontro fra una cellula archaeale semplicissima e un batterio capace di produrre energia, e sempre più come l’integrazione di due storie evolutive che avevano già sviluppato capacità differenti: da una parte una cellula archaeale che stava acquisendo strumenti per controllare forma e membrane, dall’altra un batterio dotato di un metabolismo energetico destinato a diventare il cuore biochimico della nuova cellula.

Resta da stabilire quando e in quale ordine siano comparsi il nucleo, i sistemi di membrane interne, il citoscheletro più elaborato e molte delle altre caratteristiche eucariotiche, così come resta da capire quanto l’ingresso del futuro mitocondrio abbia reso possibili innovazioni successive, fornendo alla cellula una quantità e una gestione dell’energia prima irraggiungibili. Su questi punti esistono ancora modelli diversi, e proprio gli Asgard stanno offrendo per la prima volta materiale sperimentale con cui metterli alla prova.

L’importanza della questione sta nella scala dell’evento, perché l’origine della vita cerca di spiegare come sia comparso sulla Terra qualcosa capace di evolvere, mentre l’origine della cellula eucariotica cerca di spiegare come, molto più tardi, quella vita abbia acquisito una nuova organizzazione che avrebbe reso possibile quasi tutta la complessità biologica visibile intorno a noi.

Per miliardi di anni la Terra fu un pianeta di microbi e poi, una sola volta per quanto possiamo ricostruire, due linee cellulari profondamente differenti finirono per integrarsi e produssero un tipo di organismo completamente nuovo; da quella innovazione discendono tutte le cellule del nostro corpo, quelle di una sequoia, quelle di un fungo e quelle di una balena. Capire come avvenne significa quindi ricostruire uno dei pochissimi passaggi della storia naturale senza il quale il mondo vivente che conosciamo non sarebbe mai esistito.

Ed è questo che rende tanto importanti i minuscoli e lentissimi archei di cui parla oggi Nature: non possiedono la risposta già scritta dentro di loro e non rappresentano antenati rimasti congelati nel tempo, ma ci permettono per la prima volta di osservare da vicino cellule appartenenti al ramo della vita più prossimo a quello da cui proveniamo mentre costruiscono strutture complesse, dipendono da altri microrganismi e instaurano con i batteri rapporti tanto stretti da farci intravedere, nelle loro possibilità biologiche, alcuni dei passaggi attraverso i quali la vita semplice poté diventare complessa.