Dalla molecola all’organismo

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L’amiloide in crescita funge da modello per se stessa: Gli aminoacidi (mat
L’amiloide in crescita funge da modello per se stessa: Gli aminoacidi (mattoni colorati) si accumulano nel posto giusto.
Come è nata la vita sulla terra? Come ha potuto sopravvivere ed evolversi? I ricercatori sono alla ricerca di risposte a queste grandi domande.

Da tempo immemorabile, l’uomo cerca risposte alla domanda su come sia nata la vita sulla terra. Le culture più antiche spiegavano la formazione della terra e l’origine della vita attraverso l’opera di dei e divinità. La scienza affronta la questione in modo diverso. Generazioni di ricercatori hanno sviluppato teorie e ipotesi sull’origine della vita basandosi sulle leggi fondamentali della fisica, della chimica e della biologia - e nel frattempo hanno anche accumulato una grande quantità di conoscenze.

"Il fatto che perseguiamo tali domande è profondamente ancorato al nostro mondo occidentale. È una questione di fede scientifica", afferma Roland Riek, professore di chimica fisica al Politecnico di Zurigo. Nella sua ricerca affronta, tra l’altro, la questione di quali elementi chimici necessari per la nascita della vita siano stati presenti per primi.

La chimica doveva essere giusta

Per Riek, ci sono molti indizi che indicano che il primo mondo chimico, qualche centinaio di milioni di anni dopo la nascita della Terra, doveva essere costituito da aminoacidi e peptidi formati da gas vulcanici. Sono stabili e possono resistere a temperature piuttosto elevate. Inoltre, gli amminoacidi sono relativamente facili da creare, come hanno dimostrato altri ricercatori con gli "esperimenti del brodo primordiale". Nei meteoriti si trovano anche amminoacidi, ma quasi nessun elemento costitutivo degli acidi ribonucleici (RNA), che la maggior parte degli scienziati considera i primi composti chimici alla base della vita sulla Terra.

"I peptidi hanno le stesse capacità degli acidi ribonucleici: possono duplicarsi, ma senza l’alta precisione della duplicazione dell’RNA. Come l’RNA, hanno la capacità di immagazzinare e trasmettere informazioni e di essere cataliticamente attivi", sottolinea Riek, che nel suo laboratorio sta studiando, tra l’altro, come i peptidi semplicemente costruiti diventino amiloidi. Gli amiloidi sono complessi molecolari molto resistenti, difficilmente dissolvibili, composti sempre dagli stessi peptidi, che possono immagazzinare e trasmettere informazioni e crescere come cristalli.

Gli amiloidi possono anche legarsi facilmente alle molecole di RNA. "Pertanto, per me è chiaro cosa sarebbe potuto essere all’inizio: Aminoacidi, peptidi e infine amiloidi, che a un certo punto hanno incontrato l’RNA e si sono legati ad esso", spiega Riek. "Da questa connessione, l’informazione genetica si è sviluppata nel tempo".

"Il primo mondo chimico era probabilmente costituito da aminoacidi e peptidi".

Roland Riek
Tale incontro tra i mattoni chimici di base potrebbe essere avvenuto in bocche idrotermali nelle profondità marine o in una pozza di marea primordiale in cui le molecole potrebbero essere concentrate per evaporazione. Le alte concentrazioni hanno portato alla sintesi spontanea di molecole più complesse. "Questo non accadrà nell’oceano aperto perché la diluizione è troppo grande", sottolinea il ricercatore.

Ilpercorso della prima cella

Tuttavia, i ricercatori sanno solo in modo rudimentale come si è formata la prima cellula. "Abbiamo pochissime informazioni al riguardo", afferma Riek, che ha anche una formazione in fisica e biologia.

Tuttavia, sembra centrale la possibilità che nel brodo primordiale ricco di molecole si formassero dei compartimenti chiusi, per i quali erano necessari gli acidi grassi. Tali precursori di lipidi possono assemblarsi spontaneamente in membrane e formare piccole vescicole - vasi di reazione separati dal brodo primordiale, in cui si concentrano ancora di più sostanze e molecole. Una vescicola di questo tipo favorisce e accelera molte volte le reazioni chimiche.

Da primitivo a complesso

"La formazione delle vescicole è stata probabilmente anche la chiave per l’emergere di organismi unicellulari, in cui molecole più complesse come l’RNA potevano moltiplicarsi ulteriormente e in cui si è sviluppato un metabolismo che ha generato energia sufficiente per accelerare i processi di moltiplicazione e ha migliorato la trasmissione delle informazioni genetiche", aggiunge Martin Pilhofer, professore presso l’Istituto di Biologia Molecolare e Biofisica del Politecnico di Zurigo.

"La durata di questa fase non è chiara. Più andiamo indietro nella storia della Terra, più le nostre ipotesi e scoperte diventano incerte", afferma Pilhofer. Anche la comparsa dei primi organismi unicellulari non può essere determinata con precisione. Si stima che siano comparsi circa 3,5-4 miliardi di anni fa, come dimostrano i batteri fossili. La Terra era certamente viva 3 miliardi di anni fa.

È probabile che i primi organismi unicellulari abbiano vissuto in luoghi con una fonte di energia esterna, ad esempio in prossimità di bocche idrotermali nelle profondità marine o di sorgenti calde, come quelle presenti nel Parco Nazionale di Yellowstone. Solo grazie allo sviluppo di un proprio metabolismo, gli organismi unicellulari sono riusciti a rendersi indipendenti dalla fonte energetica esterna e a conquistare nuovi habitat.

Unantenato dalle profondità marine

In prossimità di tali bocche sottomarine, gli organismi unicellulari potrebbero essersi evoluti precocemente in direzioni diverse: "Sospettiamo che in luoghi così estremi gli organismi unicellulari originari si siano divisi in batteri e archei subito dopo la loro formazione", afferma il microbiologo Pilhofer.

I batteri e gli archei, in passato chiamati anche archeobatteri o batteri primordiali, sono per lo più organismi unicellulari privi di nucleo cellulare. Formano due grandi domini nell’albero filogenetico. Un terzo dominio è rappresentato dagli eucarioti. A differenza dei batteri e degli archei, gli eucarioti hanno un nucleo cellulare in cui è conservato il materiale genetico DNA. Un’altra peculiarità degli eucarioti sono i compartimenti cellulari separati da membrane, come i mitocondri o i cloroplasti.

Da tempo i ricercatori cercano spiegazioni su come i microbi batterici o arcaici abbiano dato origine agli eucarioti. Molti scienziati ritengono possibile che una cellula ospite abbia "ingoiato" un batterio. Nel corso del tempo si è evoluto nel mitocondrio, la centrale elettrica degli eucarioti. "Che ci sia stato un evento del genere è indiscutibile", afferma Pilhofer. È probabile che un altro evento simile abbia portato un cianobatterio attivo dal punto di vista fotosintetico a essere incorporato in una cellula e a diventare il cloroplasto che svolge la fotosintesi nelle piante verdi e nelle alghe.

Tuttavia, non è chiaro quale potesse essere questa cellula ospite, l’antenato degli eucarioti. Ora, però, il velo si sta sollevando: qualche anno fa, gli scienziati hanno pubblicato nuove scoperte su un gruppo originale di archei che è stato scoperto solo di recente.

Provengono da un condotto termico di profondità chiamato Castello di Loki. Il campo idrotermale, in cui l’acqua a 300 gradi Celsius fuoriesce dai camini di roccia, è stato trovato solo nel 2008 nell’Atlantico settentrionale a 2300 metri di profondità. I ricercatori svedesi hanno prelevato campioni di sedimenti e analizzato il materiale genetico in essi contenuto. Questo ha permesso di ricostruire i genomi di organismi sconosciuti. "Queste scoperte hanno rivoluzionato il modo in cui guardiamo all’albero genealogico della vita", sottolinea Pilhofer.

I genomi, infatti, indicavano un nuovo gruppo di archei, che in un primo momento furono chiamati archei Loki in riferimento al sito del castello di Loki, ma che in seguito, sulla base di ulteriori indagini genomiche e morfologiche, furono classificati come la classe degli archei Asgard.

Questi microrganismi appena descritti hanno portato alla conclusione che gli eucarioti non sono un dominio a sé stante, ma un sottodominio degli archei Asgard. Martin Pilhofer ne spiega la ragione: "Il genoma degli archei Asgard contiene alcuni geni che di solito conosciamo solo dagli eucarioti. Un esempio importante è il gene che trasporta le informazioni genetiche per la proteina citoscheletrica actina. Questo significa che gli archei hanno proteine che in precedenza avevamo trovato solo negli eucarioti".

Il microbiologo, specializzato in citoscheletri, ha anche una possibile spiegazione del modo in cui l’originale archea di Asgard è riuscito ad afferrare il batterio: grazie a tentacoli sostenuti dall’actina. Li usano per esplorare il loro ambiente e interagire con altri organismi.

Poiché gli archei e i batteri spesso crescono in tappeti biologici densamente compatti e ricchi di specie in luoghi così estremi, si verificano innumerevoli interazioni tra individui e specie diverse. Con i suoi tentacoli, un archeo Asgard avrebbe potuto finalmente racchiudere il batterio in questione e inglobarlo. "Quindi potrebbe essere stato un archeo Asgard primordiale che ha incorporato un batterio e ha posto le basi per lo sviluppo delle cellule eucariotiche", spiega Pilhofer.

Con il suo gruppo, sta lavorando all’acquisizione di immagini al microscopio elettronico ad alta risoluzione degli archei Asgard. Dalle immagini ottenute finora, non è in grado di giudicare con sufficiente precisione se questi organismi abbiano un citoscheletro. I ricercatori vogliono anche chiarire l’aspetto della membrana cellulare degli archei Asgard e se in queste cellule esiste uno speciale sistema di membrane interne. "Questa ricerca ci aiuta a capire meglio come una cellula ospite che un tempo si fondeva con un batterio si sia evoluta in una complessa cellula eucariotica", spiega Pilhofer.
Peter Rüegg