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Eucarioti: storia della sua ascendenza arcaica

Il tradizionale raggruppamento delle forme di vita in procarioti ed eucarioti è stato rivisto nel 1977 quando la caratterizzazione della sequenza dell'rRNA ha rivelato che gli archaea (allora chiamati "archeobatteri") sono "tanto lontanamente imparentati con i batteri quanto i batteri lo sono con gli eucarioti". Questo ha reso necessario il raggruppamento di organismi viventi. in eubatteri (che comprendono tutti i batteri tipici), archaea ed eucarioti. La questione dell'origine degli eucarioti rimaneva. A tempo debito, iniziarono a formarsi prove a favore dell'ascendenza arcaica degli eucarioti. Di particolare interesse è stata la scoperta che Asgard archaea ha diverse centinaia di geni delle proteine ​​di firma eucariotiche (ESP) nel loro genoma. Gli ESP svolgono un ruolo cruciale nello sviluppo del citoscheletro e delle strutture cellulari complesse caratteristiche degli eucarioti. In uno studio rivoluzionario pubblicato il 21 dicembre 2022, i ricercatori hanno riferito di aver coltivato con successo una coltura arricchita di sfuggente archaea Asgard che hanno ripreso utilizzando la tomografia crioelettronica. Hanno osservato che le cellule di Asgard avevano effettivamente un citoscheletro complesso a base di actina. Questa è stata la prima prova visiva diretta dell'ascendenza arcaica degli eucarioti, un passo significativo nella comprensione dell'origine degli eucarioti.  

Fino al 1977, le forme di vita sulla Terra erano raggruppate in eucarioti (forme complesse caratterizzate dall'inclusione di materiale genetico della cellula in un nucleo ben definito e dalla presenza di citoscheletro) e procarioti (forme di vita più semplici con materiale genetico nel citoplasma senza un nucleo specificato, inclusi batteri e archeobatteri). Si pensava che gli eucarioti cellulari si fossero evoluti circa 2 miliardi di anni fa, probabilmente dai procarioti. Ma come hanno avuto origine esattamente gli eucarioti? In che modo le forme di vita cellulari complesse sono collegate alle forme di vita cellulari più semplici? Questa era una grande questione aperta in biologia.  

I progressi tecnologici nella biologia molecolare di geni e proteine ​​hanno contribuito ad approfondire il nocciolo della questione quando, nel 1977, si scoprì che gli archaea (allora chiamati "archeobatteri") erano "tanto lontanamente imparentata con i batteri quanto i batteri lo sono con gli eucarioti».La precedente distinzione delle forme di vita in procarioti ed eucarioti era basata su differenze fenotipiche a livello degli organelli cellulari. La relazione filogenetica dovrebbe, invece, basarsi su una molecola ampiamente distribuita. L'RNA ribosomiale (rRNA) è una di queste biomolecole presente in tutti i sistemi autoreplicanti e le cui sequenze cambiano molto poco nel tempo. L'analisi basata sulla caratterizzazione della sequenza dell'rRNA ha richiesto il raggruppamento di organismi viventi in eubatteri (che comprende tutti i batteri tipici), archaeaed eucarioti1.  

Successivamente, iniziano ad emergere prove di una relazione più stretta tra archaea ed eucarioti. Nel 1983, è stato scoperto che le RNA polimerasi DNA-dipendenti di archaea ed eucarioti sono dello stesso tipo; entrambi mostrano proprietà immunochimiche sorprendentemente simili ed entrambi derivano da una struttura ancestrale comune2. Sulla base di un albero filogenetico composito dedotto di una coppia proteica, un altro studio pubblicato nel 1989, ha rivelato una relazione più stretta tra archaea e eucarioti che con eubatteri3. A questo punto, l'origine arcaica degli eucarioti era stata stabilita, ma restavano da identificare e studiare le specie arcaiche esatte.  

Crescita negli studi genomici dopo il successo in progetto genoma, ha fornito un impulso tanto necessario a quest'area. Tra il 2015 e il 2020, diversi studi hanno scoperto che Asgard archaea portano geni specifici degli eucarioti. I loro genomi sono arricchiti di proteine ​​considerate specifiche degli eucarioti. Questi studi hanno chiaramente identificato l'archaea di Asgard per avere la vicinanza genetica più vicina all'eucariota in virtù della presenza di centinaia di geni delle proteine ​​​​di firma eucariotica (ESP) nel loro genoma.  

Il passo successivo è stato quello di visualizzare fisicamente la struttura della cantina interna dell'archaea di Asgard per confermare il ruolo degli ESP, poiché è opinione diffusa che gli ESP svolgano un ruolo chiave nella formazione di strutture cellulari complesse. Per questo erano necessarie culture altamente arricchite di questo archaea, ma Asgard è noto per essere sfuggente e misterioso. causando difficoltà nella coltivazione in quantità sufficiente per studiarli in un laboratorio. Come da uno studio riportato di recente il 21 dicembre 2022, questa difficoltà è ormai superata.  

I ricercatori hanno, dopo sei anni di duro lavoro, tecniche improvvisate e hanno coltivato con successo in laboratorio, una cultura altamente arricchita di 'Candidatus Lokiarchaeum ossiferum', un membro del phylum Asgard. Questo è stato un risultato notevole, anche perché ha permesso ai ricercatori di visualizzare e studiare le strutture cellulari interne di Asgard.    

La tomografia crioelettronica è stata impiegata per visualizzare la coltura di arricchimento. Le cellule di Asgard avevano corpi cellulari coccoidi e una rete di sporgenze ramificate. La struttura della superficie cellulare era complessa. Citoscheletro esteso a tutti i corpi cellulari. I filamenti intrecciati a doppio filamento comprendono Lokiactin (ovvero gli omologhi dell'actina codificati da Lokiarchaeota). Pertanto, le cellule di Asgard avevano un citoscheletro complesso a base di actina, che i ricercatori propongono, antecedente all'evoluzione dei primi eucarioti.  

Come prima prova fisica/visiva concreta dell'ascendenza arcaica degli eucarioti, questo è un notevole progresso in biologia.

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Riferimenti:  

  1. Woese CR e Fox GE, 1977. Struttura filogenetica del dominio procariotico: i regni primari. Pubblicato nel novembre 1977. PNAS. 74 (11) 5088-5090. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.74.11.5088  
  1. Huet, J., et al 1983. Gli archeobatteri e gli eucarioti possiedono RNA polimerasi DNA-dipendenti di un tipo comune. EMBO J. 2, 1291–1294 (1983). DOI: https://doi.org/10.1002/j.1460-2075.1983.tb01583.x  
  1. Iwabe, N., et al 1989. Relazione evolutiva di archeobatteri, eubatteri ed eucarioti dedotti da alberi filogenetici di geni duplicati. Proc. Nazionale Acad. Sci. USA 86, 9355–9359. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.86.23.9355  
  1. Rodrigues-Oliveira, T., et al. 2022. Citoscheletro di actina e architettura cellulare complessa in un archaeon di Asgard. Pubblicato: 21 dicembre 2022. Nature (2022). DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-022-05550-y  

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Umesh Prasad
Umesh Prasad
Giornalista scientifico | Editore fondatore della rivista scientifica europea

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