I metanogeni rivelano come prospera la vita in condizioni estreme

Metanogeni-Immagine: un campo visivo di 100×100 micrometri di un aggregato di microrganismi produttori di metano- Credito Paula Prondzinsk-

Un confronto tra i genomi dei microrganismi produttori di metano (cioè i metanogeni) rivela che l’adattamento alla temperatura potrebbe non essere codificato genomicamente, ma piuttosto imposto attraverso la regolazione delle proteine ​​e adattamenti su scala più fine negli amminoacidi.

La storia della Terra è stata caratterizzata da estremi fisici: condizioni atmosferiche estreme, ambienti chimici estremi e temperature estreme. C’è stato un tempo in cui la Terra era così calda che tutta l’acqua era vapore e la prima pioggia cadeva solo quando il pianeta si raffreddava abbastanza. Poco dopo, è emersa la vita e, nonostante tutto, la vita ha trovato una via. Oggi la vita si trova quasi ovunque sulla Terra; è difficile trovare posti dove la vita non esiste. La notevole capacità della vita di adattarsi a condizioni variabili è una delle sue caratteristiche distintive. Dei suoi numerosi adattamenti, la capacità della vita di adattarsi alle variazioni di temperatura è uno dei più interessanti. Tutta la vita si basa su reazioni chimiche, che sono per natura sensibili alla temperatura. Eppure, la vita esiste attraverso uno spettro di temperature, dalla piattaforma di ghiaccio antartica ai bordi dei vulcani sottomarini.

Questo pone la domanda: “Come si adatta la vita alle diverse temperature?”. Per tentare di svelare la risposta, un gruppo di ricerca, guidato da Paula Prondzinsky e Shawn Erin McGlynn dell’Earth-Life Science Institute (ELSI) presso il Tokyo Institute of Technology, ha recentemente studiato un gruppo di organismi chiamati metanogeni.

I metanogeni sono microrganismi unicellulari produttori di metano che appartengono a un dominio più ampio di “Archaea” (antichi organismi unicellulari che non hanno nuclei cellulari e si pensa siano stati i predecessori delle cellule eucariotiche). Come singolo gruppo fisiologico, i metanogeni possono prosperare in una gamma di temperature estreme, da -2,5 ^° C a 122 ^° C, e questo li rende candidati ideali per studiare l’adattamento alla temperatura.

In questo lavoro, i ricercatori hanno analizzato e confrontato i genomi di diverse specie di metanogeni. Hanno diviso i metanogeni in tre gruppi in base alle temperature in cui prosperavano: termotolleranti (alte temperature), psicrotolleranti (basse temperature) e mesofili (temperature ambientali). Hanno quindi costruito un database di 255 genomi e sequenze proteiche da una risorsa chiamata Genome Taxonomy Database. Successivamente hanno ottenuto i dati di temperatura per 86 metanogeni che si trovano nelle raccolte di laboratorio dal Database of Growth TEMPeratures of Usual and Rare Prokaryotes. Il risultato è stato un database che collegava il contenuto del genoma alla temperatura.

Successivamente, i ricercatori hanno utilizzato un software chiamato OrthoFinder per stabilire diversi ortogruppi, insiemi di geni discendenti da un singolo gene presente nell’ultimo antenato comune della specie in esame. Hanno quindi segregato questi ortogruppi in un nucleo (presente in oltre il 95% delle specie), ii) condiviso (presente in almeno due specie ma in meno del 95% degli organismi) e iii) unico (presente solo in un singola specie). Le loro analisi hanno rivelato che circa un terzo del genoma metagenico è condiviso tra tutte le specie. Hanno anche scoperto che la quantità di geni condivisi tra le specie diminuisce con l’aumentare della distanza evolutiva.

È interessante notare che i ricercatori hanno scoperto che gli organismi termotolleranti avevano genomi più piccoli e una frazione più alta del genoma centrale. Questi piccoli genomi si sono rivelati anche evolutivamente più “antichi” dei genomi degli organismi psicrotolleranti. Poiché gli organismi termotolleranti sono stati trovati in più gruppi, questi risultati indicano che la dimensione del genoma dipende più dalla temperatura che dalla storia evolutiva. Suggeriscono anche che man mano che i genomi del metanogeno si sono evoluti, sono cresciuti piuttosto che ridursi, il che sfida l’idea di “evoluzione del genoma termoriduttivo”, cioè che gli organismi rimuovono i geni dai loro genomi mentre si evolvono in luoghi a temperatura più elevata.

Le analisi dei ricercatori hanno anche mostrato che i metanogeni crescono in questo ampio intervallo di temperature senza molte proteine ​​speciali. Infatti, la maggior parte delle proteine ​​codificate dai loro genomi erano simili. Ciò li ha portati a considerare la possibilità di una regolazione cellulare o di adattamenti compositivi su scala più fine come la causa principale dell’adattamento alla temperatura. Per indagare su questo, hanno esaminato la composizione degli amminoacidi, i mattoni delle proteine, nei metanogeni.

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Hanno scoperto che amminoacidi specifici erano arricchiti in particolari gruppi di temperatura. Hanno anche trovato differenze di composizione negli amminoacidi relative alla loro carica, polarità e entropia del proteoma, che influenzano la struttura della proteina e quindi la sua capacità di funzionare. In generale, hanno scoperto che i metanogeni termotolleranti hanno amminoacidi più carichi e geni funzionali per il trasporto di ioni, che non sono presenti negli psicrotolleranti. Mentre gli organismi psicrotolleranti sono arricchiti in amminoacidi e proteine ​​​​negati alla struttura cellulare e alla motilità. Tuttavia, i ricercatori non sono stati in grado di individuare funzioni specifiche condivise da tutti i membri di un gruppo di temperatura, suggerendo che l’adattamento alla temperatura è un processo graduale che si verifica in piccoli passaggi piuttosto che richiedere cambiamenti su larga scala.

Complessivamente, “Questo indica che i primissimi metanogeni, che si sono evoluti in un momento in cui le condizioni sulla Terra erano ostili alla vita, potrebbero essere stati simili agli organismi che troviamo sulla Terra di oggi”, spiega Paula Prondzinsky. “Le nostre scoperte potrebbero puntare verso tratti e funzioni presenti nei primi microbi e persino fornire indizi sul fatto che la vita microbica abbia avuto origine in ambienti caldi o freddi. Potremmo estendere questa conoscenza per capire come la vita potrebbe adattarsi ad altri tipi di condizioni estreme, non solo la temperatura e persino svelare come potrebbe evolversi la vita su altri pianeti”.

Fonte:DNA Research