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Il Nitroplasto: un nuovo organello che rivela l’evoluzione in tempo reale

La scoperta di un nuovo organulo sfida le convinzioni consolidate, aprendo nuove strade di ricerca, con potenziali implicazioni sia per gli ecosistemi oceanici che per l’agricoltura.

Quando si parla dello sviluppo delle prime forme di vita sulla Terra, una delle teorie più accreditate è quella dell’endosimbiosi.

Questa teoria suggerisce che il successo delle cellule eucariotiche (come le nostre) sia dovuto anche all’acquisizione di “organuli”, cioè cellule più piccole inglobate e diventate simbionti, in grado di svolgere funzioni specifiche che la cellula originaria non poteva svolgere autonomamente.

È il caso dei cloroplasti nelle cellule vegetali e dei mitocondri in quelle animali e vegetali. A supporto di questa teoria vi è il fatto che questi organuli possiedono un proprio DNA, che non ricombina durante la riproduzione. I mitocondri sono responsabili della respirazione cellulare e della produzione di energia, oltre alla sintesi degli acidi grassi, fondamentale per la cellula. Nei cloroplasti, invece, avviene la fotosintesi clorofilliana.

E le cellule procariotiche, cioè i batteri? Si è sempre pensato che ricavassero energia autonomamente fissando o elaborando determinate sostanze prese dall’ambiente, come l’azoto. Tuttavia, una straordinaria scoperta scientifica realizzata da un team internazionale di ricercatori ha individuato il “nitroplasto”, il primo organello azotofissatore conosciuto all’interno di una cellula eucariotica, mettendo in discussione ciò che si sapeva fino ad oggi.

Questa scoperta conferma la teoria endosimbiotica: si osserva infatti direttamente il processo in cui una cellula procariotica viene fagocitata da una cellula eucariotica e si evolve in un organulo.

Un nuovo capitolo nell’evoluzione

La scoperta del nitroplasto, realizzata da un team guidato da Tyler Coale e Jonathan Zehr della UC Santa Cruz, è stata pubblicata in due recenti articoli che evidenziano l’importanza di questa ricerca.

La nascita di organelli è un fenomeno raro: circa un miliardo di anni fa, un evento simile portò alla formazione del cloroplasto, dando origine alle piante.

Il lavoro pubblicato è il risultato di un lungo e arduo percorso di ricerca. Nel 1998, Zehr identificò una breve sequenza di DNA di un cianobatterio azotofissatore sconosciuto nell’acqua del Pacifico, denominato UCYN-A. Lui e i suoi colleghi hanno dedicato anni allo studio di questo organismo misterioso.

Parallelamente, Kyoko Hagino, paleontologa dell’Università di Kochi in Giappone, lavorava alla coltura di un’alga marina, che si rivelò essere l’ospite di UCYN-A. Dopo oltre 300 spedizioni di campionamento e più di un decennio di lavoro, Hagino riuscì a coltivare l’alga, permettendo ai ricercatori di studiare UCYN-A e il suo ospite algale in laboratorio.

UCYN-A: da endosimbionte a organulo

Inizialmente, gli scienziati consideravano UCYN-A un endosimbionte strettamente associato a un’alga. Tuttavia, recenti studi suggeriscono che UCYN-A si è evoluto insieme al suo ospite, superando la simbiosi per diventare un organello.

Nel marzo 2024, Zehr e colleghi hanno dimostrato che il rapporto di dimensioni tra UCYN-A e i loro ospiti algali è coerente tra le diverse specie dell’alga marina Braarudosphaera bigelowii. Il loro modello ha rivelato che la crescita della cellula ospite e di UCYN-A è regolata dallo scambio di nutrienti, con i loro metabolismi interconnessi. Questa sincronizzazione dei tassi di crescita ha portato i ricercatori a definire UCYN-A “simile a un organulo”, in quanto questo comportamento rispecchia quello di mitocondri e cloroplasti, che crescono in proporzione alla cellula ospite.

Per classificare UCYN-A come organello, gli scienziati hanno confermato diverse linee di evidenza. Zehr, Coale, Kendra Turk-Kubo, Wing Kwan Esther Mak e collaboratori hanno dimostrato che UCYN-A importa proteine dalle sue cellule ospiti. Questa capacità è un segno distintivo della transizione da endosimbionte a organulo. UCYN-A, inoltre, inizia a perdere parti del suo DNA, i suoi genomi diventano più piccoli e l’organismo dipende dalla cellula ospite per il trasporto dei prodotti genici o delle proteine all’interno della cellula.

Il lavoro di Coale sulla proteomica ha rivelato che la cellula ospite produce proteine e le etichetta con una specifica sequenza di amminoacidi, indicando alla cellula di inviarle al nitroplasto. Il nitroplasto quindi importa e utilizza queste proteine, colmando le lacune di alcuni percorsi metabolici all’interno di UCYN-A. Questa integrazione funzionale ricorda un puzzle che si incastra perfettamente e funziona in modo efficiente.

Implicazioni per gli ecosistemi oceanici e l’agricoltura

La scoperta del nitroplasto apre nuove prospettive sugli ecosistemi oceanici. UCYN-A´, questo cianobatterio, fissa l’azoto atmosferico ed è fondamentale a livello globale. È stato trovato in diversi ambienti, dai tropici all’Oceano Artico ed è, quindi, una componente chiave degli ecosistemi marini.

Il nitroplasto potrebbe anche rivoluzionare l’agricoltura. Il processo Haber-Bosch, che produce fertilizzanti ammoniacali dall’azoto atmosferico, ha supportato l’espansione dell’agricoltura e della popolazione mondiale sin dall’inizio del XX secolo, ma contribuisce significativamente alle emissioni globali di anidride carbonica, pari a circa l’1,4%.

Da anni, i ricercatori cercano di incorporare la fissazione naturale dell’azoto nell’agricoltura. La scoperta del nitroplasto offre una nuova prospettiva e potrebbe fornire indizi su come ingegnerizzare questo organello nelle piante coltivate, riducendo la dipendenza dai fertilizzanti chimici e le emissioni di CO2.

Il ciclo dell’azoto: un ruolo cruciale per la vita

Il ciclo dell’azoto è essenziale per sostenere la vita sulla Terra, coinvolgendo il continuo movimento dell’azoto tra atmosfera, suolo e organismi viventi.

Comprendere questo ciclo ci aiuta a mantenere il delicato equilibrio degli ecosistemi, fondamentale per il benessere di tutte le forme di vita.

L’attività umana, come l’uso eccessivo di fertilizzanti azotati e la combustione di combustibili fossili, ha alterato significativamente il ciclo dell’azoto. Questo ha causato problemi come l’inquinamento delle acque, l’acidificazione del suolo e le emissioni di gas serra. Pratiche agricole sostenibili e la riduzione dell’uso di combustibili fossili possono aiutare a riequilibrare il ciclo dell’azoto.

La scoperta del nitroplasto rappresenta quindi una pietra miliare nella biologia e, sebbene molte domande su UCYN-A e il suo ospite algale rimangano aperte, offre una nuova prospettiva sull’evoluzione della vita sulla Terra, oltre ad avere un impatto effettivo sulla nostra sfida all’inquinamento e ai cambiamenti climatici.

Per questo, il team di ricerca continuerà a studiare le complessità di UCYN-A e del suo ospite, aprendo la strada a ulteriori scoperte rivoluzionarie in futuro.

Fonti:

T.H. Coale et al. Nitrogen-fixing organelle in a marine alga. Science. Vol. 384, April 12, 2024, p. 217. doi:10.1126/science.adk1075
Ramon Massana, The nitroplast: A nitrogen-fixingorganelle. Science384,160-161(2024). DOI:10.1126/science.ado85
York, A. Nitroplast organelle unveiled. Nat Rev Microbiol 22, 323 (2024).

Alice Mosconi
Conservation Scientist e Paleoantropologa molecolare, da Firenze vola a Berlino per l’Erasmus. Qui lascia i banconi e i camici di laboratorio per seguire la sua grande passione: la divulgazione scientifica. Muove i primi passi in questo campo con il lockdown 2020, dedicando la sua pagina Instagram a post e storie esplicativi su evoluzione e materiali per le opere d’arte, poi inizia a collaborare con associazioni e riviste scientifiche, convinta che la conoscenza è utile solo se condivisa.

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