Una cellula vegetale contenente cloroplasti (verde scuro), organelli specializzati che gli scienziati ritengono si siano evoluti dagli endosimbionti. Credito: Dr. David Furness, Keele University/Science Photo Library
È così che si è evoluta la vita complessa? Un esperimento che ha inserito i batteri nei funghi offre indizi. I biologi hanno creato un sistema simbiotico che suggerisce come caratteristiche cellulari come i mitocondri e i cloroplasti potrebbero essere emerse un miliardo di anni fa.
Utilizzando un minuscolo ago cavo e una pompa simile a quella per bicicletta, alcuni scienziati sono riusciti a impiantare batteri in una cellula più grande, creando una relazione simile a quella che ha innescato l’evoluzione della vita complessa.
L’impresa, descritta su Nature il 2 ottobre, potrebbe aiutare i ricercatori a comprendere le origini degli accoppiamenti che hanno dato origine a organelli specializzati chiamati mitocondri e cloroplasti più di un miliardo di anni fa.
I funghi hanno preso in prestito il gene batterico
Le relazioni endosimbiontiche, in cui un partner microbico vive in armonia all’interno delle cellule di un altro organismo, si trovano in numerose forme di vita, tra cui insetti e funghi. Gli scienziati pensano che i mitocondri, gli organelli responsabili della produzione di energia delle cellule, si siano evoluti quando un batterio ha preso residenza all’interno di un antenato delle cellule eucariotiche. I cloroplasti sono emersi quando un antenato delle piante ha ingoiato un microrganismo fotosintetico.
Determinare i fattori che hanno formato e sostenuto questi accoppiamenti è difficile perché si sono verificati molto tempo fa. Per aggirare questo problema, un team guidato dalla microbiologa Julia Vorholt, presso lo Swiss Federal Institute of Technology di Zurigo (ETH Zurich), ha trascorso gli ultimi anni a progettare endosimbiosi in laboratorio. Il loro approccio utilizza un ago largo 500-1000 nanometri per perforare le cellule ospiti e quindi rilasciare le cellule batteriche una alla volta.
Innescare la simbiosi
Anche con questa magia tecnica, gli accoppiamenti iniziali tendevano a fallire; ad esempio, perché il potenziale simbionte si divideva troppo velocemente e uccideva il suo ospite. La fortuna del team cambiò quando i ricercatori crearono una simbiosi naturale che si verifica tra alcuni ceppi di un patogeno fungino delle piante, Rhizopus microsporus e il batterio Mycetohabitans rhizoxinica che produce una tossina che protegge il fungo dalla predazione.
I ricercatori hanno impiantato batteri nei funghi Rhizopus , qui visti al microscopio. Crediti: SRMY/Shutterstock
Tuttavia, trasportare cellule batteriche nei funghi, che hanno pareti cellulari spesse che mantengono un’elevata pressione interna, è stata una sfida. Dopo aver perforato la parete con l’ago, i ricercatori hanno utilizzato una pompa per bicicletta, e in seguito un compressore d’aria, per mantenere una pressione sufficiente a trasportare i batteri.
Dopo aver superato lo shock iniziale dell’operazione, i funghi hanno continuato il loro ciclo vitale e prodotto spore, una frazione delle quali conteneva batteri. Quando queste spore germinavano, i batteri erano presenti anche nelle cellule della generazione successiva di funghi. Ciò ha dimostrato che la nuova endosimbiosi poteva essere trasmessa alla prole, una scoperta fondamentale.
Batteri in via di estinzione
Ma il successo della germinazione delle spore contenenti batteri era basso. In una popolazione mista di spore (alcune con batteri e alcune senza), quelle con batteri scomparivano dopo due generazioni. Per vedere se le relazioni potessero essere migliorate, i ricercatori hanno utilizzato un separatore cellulare fluorescente per selezionare spore contenenti batteri, che erano state etichettate con una proteina luminosa, e hanno propagato solo queste spore nei successivi cicli di riproduzione. Dopo dieci generazioni, le spore contenenti batteri germinavano quasi con la stessa efficienza di quelle senza batteri.
La base di questo adattamento non è chiara. Il sequenziamento del genoma ha identificato una manciata di mutazioni associate a un migliore successo di germinazione nel fungo, che era un ceppo di R. microsporus non noto per trasportare endosimbionti in modo naturale e non ha trovato cambiamenti nei batteri.
“La linea che germinava più efficacemente tendeva a limitare il numero di batteri in ogni spora“, afferma il coautore dello studio Gabriel Giger, microbiologo presso l’ETH di Zurigo. “Ci sono modi in cui questi due partner possono vivere meglio e più facilmente insieme. È qualcosa che è davvero importante per noi capire“.
Sistema immunitario fungino
I ricercatori non sanno molto sulla genetica di R. microsporus. Ma Thomas Richards, un biologo evoluzionista dell’Università di Oxford, Regno Unito, si chiede se un sistema immunitario fungino stia impedendo la simbiosi e se le mutazioni di questo sistema potrebbero facilitare le relazioni. “Sono un grande fan di questo lavoro“, aggiunge.
Eva Nowack, microbiologa presso la Heinrich Heine University di Düsseldorf in Germania, è rimasta sorpresa dalla rapidità con cui gli adattamenti alla vita simbiotica sembrano evolversi. In futuro, le piacerebbe vedere cosa succede dopo periodi di tempo ancora più lunghi; ad esempio, più di 1.000 generazioni.
Leggi anche:Fusione mitocondriale: il fallimento energetico dietro le malattie neurodegenerative
“Progettare tali simbiosi potrebbe portare allo sviluppo di nuovi organismi con caratteristiche utili, come la capacità di consumare anidride carbonica o azoto atmosferico”, afferma Vorholt. “Questa è l’idea: introdurre nuove caratteristiche che un organismo non ha e che sarebbero difficili da implementare altrimenti”.
Fonte:Nature