In generale, tra gli eucarioti, le simbiosi sono piuttosto comuni. Gli ospiti eucariotici spesso coesistono con altri organismi, come i batteri. Alcuni batteri vivono all'interno delle cellule o dei tessuti ospiti e svolgono determinati servizi, come la difesa o la nutrizione. In cambio, l'ospite fornisce rifugio e condizioni di vita adeguate alla simbiosi
Un team di ricercatori di Brema, del Max Planck Genome Center di Colonia e dell’istituto di ricerca acquatica Eawag dalla Svizzera, hanno scoperto un batterio che vive in simbiosi all’interno di un eucariota unicellulare fornendogli energia.
Questo “endosimbionte” ricava energia dalla respirazione dei nitrati. Jana Milucka, autrice senior del documento pubblicato su Nature afferma: “Una simbiosi basata sulla respirazione e il trasferimento di energia è fino ad oggi senza precedenti”.
In generale, tra gli eucarioti, le simbiosi sono piuttosto comuni. Gli ospiti eucariotici spesso coesistono con altri organismi, come i batteri. Alcuni batteri vivono all’interno delle cellule o dei tessuti ospiti e svolgono determinati servizi, come la difesa o la nutrizione. In cambio, l’ospite fornisce rifugio e condizioni di vita adeguate alla simbiosi.
Un’endosimbiosi può far perdere al batterio la capacità di sopravvivere al di fuori del suo ospite.
Questo è il caso della simbiosi scoperta dagli scienziati di Brema nel lago di Zugo in Svizzera. “La nostra scoperta apre la possibilità che semplici eucarioti unicellulari, come i protisti, possano ospitare endosimbionti che forniscono energia per completare o addirittura sostituire le funzioni dei loro mitocondri”, afferma Jon Graf, primo autore dello studio.
“Questo protista è riuscito a sopravvivere senza ossigeno collaborando con un endosimbionte in grado di respirare i nitrati”. Il nome dell’endosimbionte Candidatus Azoamicus ciliaticola riflette ciò; un amico dell’azoto che risiede all’interno di un ciliato.
Finora, si è ritenuto che gli eucarioti in ambienti privi di ossigeno sopravvivano per mezzo della fermentazione, poiché i mitocondri hanno bisogno di ossigeno per generare energia. Il processo di fermentazione è stato osservato in molti ciliati anaerobici. Tuttavia, i microrganismi non possono trarre molta energia dalla fermentazione e in genere non crescono e si dividono rapidamente come le loro controparti aerobiche.
“Il nostro ciliato ha trovato una soluzione a questo”, afferma Graf. “Ha inghiottito un batterio con la capacità di respirare nitrati e lo ha integrato nella sua cellula. Stimiamo che l’assimilazione sia avvenuta almeno da 200 a 300 milioni di anni fa “.
L’evoluzione dei mitocondri è proceduta in modo simile. “Tutti i mitocondri hanno un’origine comune”, spiega Jana Milucka.
Si ritiene che più di un miliardo di anni fa, quando un archeone ancestrale inghiottì un batterio, i due esseri viventi iniziarono una simbiosi: questo evento segnò la nascita della cellula eucariotica. Con il passare del tempo il batterio si è integrato nella cellula, riducendone progressivamente il genoma.
Le proprietà non più necessarie sono state perse e sono state mantenute solo quelle necessarie al’ospite. Alla fine, i mitocondri si sono evoluti, come li conosciamo oggi.
“Il nostro endosimbionte è in grado di svolgere molte funzioni mitocondriali, anche se non condivide un’origine evolutiva comune con i mitocondri”, afferma Milucka. “Si è tentati di ipotizzare che il simbionte possa seguire lo stesso percorso dei mitocondri e alla fine diventare un organello”.
È sorprendente che questa simbiosi sia rimasta sconosciuta per così tanto tempo. I mitocondri funzionano bene con l’ossigeno: perché non dovrebbe esserci un equivalente per il nitrato? La risposta è che nessuno sapeva di questa possibilità e quindi nessuno la ha cercata.
Lo studio delle endosimbiosi è impegnativo, poiché la maggior parte dei microrganismi che vivono in simbiosi non può essere coltivata in laboratorio. Tuttavia, i recenti progressi nelle analisi metagenomiche hanno permesso di ottenere una migliore comprensione della complessa interazione tra ospiti e simbionti.
Analizzando un metagenoma, gli scienziati esaminano tutti i geni in un campione. Questo approccio viene spesso utilizzato per i campioni ambientali poiché i geni in un campione non possono essere assegnati automaticamente agli organismi presenti. Ciò significa che gli scienziati solitamente cercano sequenze geniche specifiche che sono rilevanti per la ricerca.
Il gruppo di ricerca sui gas serra del Max-Planck-Institute for Marine Microbiology studia i microrganismi coinvolti nel metabolismo del metano. Hanno studiato gli strati delle acque profonde del Lago di Zugo. Il lago è altamente stratificato, il che significa che non c’è scambio d’acqua verticale. Gli strati delle acque profonde del lago di Zugo non hanno quindi alcun contatto con le acque superficiali.
Ecco perché non contengono ossigeno ma sono ricchi di metano e composti di azoto, come il nitrato. Mentre cercava batteri che consumavano il metano con geni per la conversione dell’azoto, Graf si è imbattuto in una sequenza genica sorprendentemente piccola che codificava il percorso metabolico completo per la respirazione dei nitrati.
“Siamo rimasti tutti sbalorditi da questo risultato e ho iniziato a confrontare il DNA con sequenze geniche simili in un database”, racconta Graf. Ma l’unico DNA simile apparteneva a quello dei simbionti che vivono negli afidi e in altri insetti. “Non aveva senso. Come farebbero gli insetti a entrare in queste acque profonde? E perché? “, Ricorda Graf.
Il genoma deve appartenere a un endosimbionta ancora sconosciuto. Per verificare questa teoria, i membri del gruppo di ricerca hanno condotto diverse spedizioni al Lago di Zugo in Svizzera.
Con l’aiuto del partner di cooperazione locale Eawag, hanno raccolto campioni per cercare l’organismo che contiene questo endosimbionte unico. In laboratorio, gli scienziati hanno pescato vari eucarioti dai campioni d’acqua. Infine, utilizzando un marker genico, è stato possibile visualizzare l’endosimbionta e identificare il suo ospite protista.
Un’ultima escursione organizzata un anno fa avrebbe dovuto portare la certezza finale. Il maltempo, la nebbia fitta e la pressione per le prime notizie sul Coronavirus oltre a un possibile blocco hanno reso ancora più difficile la ricerca nel grande lago. Tuttavia, gli scienziati sono riusciti a recuperare diversi campioni dalle acque profonde e portarli a Brema.
Questi campioni hanno dato la conferma finale della loro teoria. Come ha dichiarato Jana Milucka: “Normalmente, questi ciliati mangiano i batteri. Ma questo ne ha lasciato uno vivo che ha iniziato a collaborare”.
Questa scoperta innesca molte nuove domande. Esistono simbiosi simili che esistono da molto più tempo e in cui l’endosimbionte ha già varcato il confine con un organello? Se tale simbiosi esiste per la respirazione dei nitrati, esiste anche per altri composti? Come è finita questa simbiosi, che esiste da 200 a 300 milioni di anni, in un lago post-glaciale nelle Alpi che si è formato solo 10.000 anni fa?
