Con una scoperta rivoluzionaria, gli scienziati hanno individuato la prima struttura conosciuta in cellule complesse in grado di estrarre azoto dall’atmosfera e convertirlo in una forma utilizzabile dalla cellula e gli studiosi hanno soprannominato la nuova parte cellulare “nitroplasto“. Secondo due studi recenti, i ricercatori ritengono che probabilmente si sia evoluto 100 milioni di anni fa.
La struttura del nitroplasto
Si è scoperto tuttavia che il nitroplasto abbia assunto una nuova forma molto tempo fa, diventando una vera e propria struttura cellulare, o organello, con un metabolismo direttamente collegato a quello delle alghe.
“È molto raro che gli organelli derivino da questo tipo di cose“, ha dichiarato Tyler Coale, ricercatore presso l’Università della California, Santa Cruz (UCSC) e autore principale di uno dei due studi recenti che hanno identificato il nitroplasto.
La scoperta è solo il quarto esempio conosciuto nella storia della Terra di “endosimbiosi primaria”, un processo mediante il quale una cellula eucariotica, una cellula in cui il DNA è racchiuso in un nucleo, come in tutti gli animali, piante e funghi, ingoia una cellula procariote, che manca un nucleo. In questo caso, una cellula algale eucariotica ha inghiottito una cellula batterica procariotica.
“La prima volta che pensiamo che sia successo, ha dato origine a tutta la vita complessa“, ha detto Coale, riferendosi all’evoluzione dei mitocondri, le centrali elettriche delle cellule, circa 1,5 miliardi di anni fa: “Tutto quello che è più complicato di una cellula batterica deve la sua esistenza a quell’evento”. Questo include anche gli esseri umani.
L’endosimbiosi
Il secondo caso conosciuto di endosimbiosi ha avuto luogo circa 1 miliardo di anni fa, dando origine ai cloroplasti, che alimentano la fotosintesi e innescando l’evoluzione delle piante. Il terzo evento noto potrebbe aver dato origine a un organello meno conosciuto noto come cromatoforo, una struttura piena di pigmento nella pelle dei cefalopodi, come calamari e polpi, che consente loro di cambiare colore.
Gli scienziati hanno scoperto per la prima volta il microrganismo trasformato in nitroplasto nel 1998, anche se all’epoca non sapevano ancora che il microrganismo fosse un vero organello.
In quel lavoro, un team guidato da Jonathan Zehr, un illustre Professore di scienze marine alla UCSC e autore principale del secondo studio recente, ha recuperato una breve sequenza di DNA del nitroplasto dall’acqua di mare dell’Oceano Pacifico.
Zehr e i suoi colleghi hanno determinato che il DNA apparteneva a un cianobatterio che fissa l’azoto, che hanno chiamato UCYN-A. La fissazione dell’azoto si riferisce al processo di trasformazione dell’azoto in una forma utilizzabile per le cellule.
La scoperta è coincisa con il lavoro svolto presso l’Università di Kochi in Giappone, dove gli scienziati hanno capito come coltivare le alghe che trasportano l’UCYN-A in laboratorio. Questo ha permesso a Zehr e ai suoi collaboratori di confrontare le dimensioni di UCYN-A in diverse specie di queste alghe, che appartengono a un gruppo correlato chiamato Braarudosphaera bigelowii.
I ricercatori hanno pubblicato lo studio sul nitroplasto il 28 marzo 2024 sulla rivista Cell, riferendo che la crescita di UCYN-A e delle sue cellule ospiti è sincronizzata e controllata dallo scambio di nutrienti. Questo è “esattamente quello che accade con gli organelli”, ha affermato Zehr nella dichiarazione: “Se guardi i mitocondri e i cloroplasti, è la stessa cosa: si ridimensionano con la cellula”.
Per confermare questi risultati, Zehr e altri ricercatori hanno condotto un secondo studio, pubblicato l’11 aprile 2024 sulla rivista Science. I suoi risultati hanno indicato che UCYN-A importa proteine dalla sua cellula ospite, suggerendo che il primo microrganismo avesse abbandonato parte del suo apparato cellulare, affidandosi invece al suo ospite per funzionare. In altre parole, quello che un tempo era un batterio era diventato un ingranaggio nel meccanismo del suo ospite.
Questo è uno dei tratti distintivi di qualcosa che si muove da un endosimbionte a un organello”, ha detto Zehr: “Cominciano a buttare via pezzi di DNA, e i loro genomi diventano sempre più piccoli, e iniziano a dipendere dalla cellula madre per il trasporto di quei prodotti genetici – o della proteina stessa – nella cellula”.
Inoltre, secondo la dichiarazione, l’UCYN-A si replica contemporaneamente alla cellula ospite e viene ereditato come gli altri organelli, suggellando la scoperta del nitroplasto.
Conclusioni
Il percorso verso la scoperta del nitroplasto è stato lungo e arduo, abbracciando decenni di ricerca. Come già accennato prima, nel 1998, Zehr ha individuato una breve sequenza di DNA di quello che sembrava essere un cianobatterio sconosciuto che fissa l’azoto nell’acqua di mare dell’Oceano Pacifico. Lui e i suoi colleghi hanno trascorso anni a studiare l’organismo misterioso, che hanno chiamato UCYN-A.
Contemporaneamente, Kyoko Hagino, paleontologa dell’Università di Kochi in Giappone, stava lavorando instancabilmente alla coltura di un’alga marina, che si è rivelata essere l’organismo ospite dell’UCYN-A.
Il lavoro di Coale sulla proteomica per lo studio ha rivelato che la cellula ospite produce proteine e le etichetta con una sequenza amminoacidica specifica, segnalando alla cellula di inviarle al nitroplasto.
Il nitroplasto quindi importa e utilizza queste proteine, colmando le lacune in alcuni percorsi all’interno di UCYN-A: “È un po’ come questo magico puzzle che si incastra e funziona“, ha aggiunto Zehr.
La scoperta del nitroplasto fornisce nuove informazioni sugli ecosistemi oceanici . UCYN-A è importante a livello globale per la sua capacità di fissare l’azoto dall’atmosfera e i ricercatori lo hanno trovato in varie località, dai tropici all’Oceano Artico , dove fissa una quantità significativa di azoto.
Il nitroplasto ha anche il potenziale per rivoluzionare l’agricoltura. Il processo Haber-Bosch, che sintetizza i fertilizzanti ammoniacali dall’azoto atmosferico, ha permesso all’agricoltura e alla popolazione mondiale di decollare all’inizio del XX secolo.
