Vita sotto pressione

I camini idrotermali alcalini situati nelle profondità marine sono ritenuti uno dei luoghi più probabili dove la vita avrebbe potuto svilupparsi.
Temperature elevate, pH alcalino e l’azione di sfiato che concentra i minerali sono un mix di elementi che danno luogo a gradienti di energia che possono favorire reazioni metaboliche primitive. Sebbene a volte trascurate, le estreme pressioni idrostatiche presenti nelle prese d’aria profonde possono anche facilitare vari tipi di reazioni molecolari che diversamente non si verificherebbe da sole a livello del mare.
Oggi, conosciamo molti organismi complessi che si sono evoluti, o che hanno abitato, nelle profondità del mare grazie ad adattamenti metabolici e fisiologici.
Tra gli esseri viventi più estremi ci sono i procarioti “piezofili” o amanti della pressione della famiglia Colwellia. Questi organismi si trovano nelle trincee più profonde a circa 11.000 metri sotto la superficie, dove la pressione raggiunge un valore di 110 megapascal (la pressione atmosferica è 0,1 Mpa). Un recente articolo pubblicato su BioRxiv analizza i genomi di sette ceppi di Colwellia per scoprire esattamente come la vita si adatta all’alta pressione.
Ciò che lo studio rivela è che i ceppi di Colwellia che meglio si adattano alla pressione hanno livelli molto alti di aminoacidi basici e idrofobici nel loro proteoma. Questo probabilmente serve a stabilizzare e limitare l’ingresso di acqua all’interno delle proteine sottoposte a pressione. Il gruppo “piezofilo” presenta anche più geni per la replicazione, la ricombinazione e le proteine di riparazione, e anche per la motilità cellulare e la biogenesi della parete cellulare e della membrana. Presentano inoltre una percentuale più elevata di acidi grassi insaturi e forme varianti di colesterolo che sono cruciali per regolare e mantenere la fluidità della membrana ad alta pressione.
Gli autori dello studio indicano qualcosa di interessante, molti dei geni sono stati trovati esclusivamente all’interno di regioni altamente variabili note come isole genomiche, indicando che questi adattamenti sono probabilmente facilitati dal trasferimento genico orizzontale attraverso trasposasi o altri elementi mobili. Una peculiarità riscontrata in queste regioni variabili è l’abbondanza dei sistemi di geni tossina-antitossina rapidamente modificati che si trovano anche in molti batteri. Un’altra osservazione è stata che il gruppo piezofilo manca della TMAO reduttasi, l’enzima che riduce TMAO a TMA. Ciò è stato attribuito a un bisogno preferenziale di TMAO come “piezolita” rispetto al suo uso alternativo come accettore di elettroni.
Osservando più da vicino l’energetica e la respirazione, gli autori hanno identificato un ulteriore cluster genetico di ubichinone ossidoruttasi ‘nuo’ nei piezofili. Questa esclusiva deidrogenasi NADH trasloca quattro protoni per due elettroni e può aiutare con l’acquisizione di energia ad alta pressione.
Curiosamente, si nota che il batterio di shewanella, ora famoso per il suo eclettico trasporto di elettroni dipendente dallo spin attraverso circuiti di elettroni multiemi ha molte somiglianze con la Colwellia. Tra queste non solo lo stesso tipo di ossidoridasi di NADH menzionate sopra, ma anche sistemi genetici tossici-antitossina ipervariabili simili.
L’alta pressione esercita i suoi effetti su un certo numero di scale diverse negli esseri viventi. In generale, altera le distanze e le conformazioni intermolecolari, ma non influenza le lunghezze o gli angoli di legame covalenti. Peptidi, lipidi e strutture macromolecolari dello zucchero sono perturbati in modo significativo solo al di sopra dei 2 Gpa. D’altra parte, l’associazione proteica con il DNA è meno stabile a pressione elevata e la stessa doppia elica del DNA viene spostata su forme più dense, influenzando cosi la trascrizione e l’espressione.
Sebbene gran parte del mare profondo sia estremamente freddo, le temperature all’interno delle regioni di ventilazione idrotermale possono raggiungere i 400 gradi C. Se combinate con una pressione superiore a 30 MPa, vengono create condizioni che corrispondono allo stato supercritico termodinamico.
L’acqua supercritica ha un’aumentata costante dielettrica, viscosità, densità e idratazione ionica. Di conseguenza, la solubilità dei composti polari e ionici diminuisce, mentre quella delle molecole apolari è migliorata. Il risultato netto di questo è che le molecole prebiotiche sono prontamente concentrate e possono reagire in modo più efficiente.
Una volta che le reazioni metaboliche primitive catalizzate dal metallo hanno preso piede e gli amminoacidi possono essere polimerizzati in proteine rudimentali, iniziamo a cogliere l’evoluzione delle pieghe proteiche di base alla radice di un’antica rete metabolica. È il caso della piega ferredossina che lega i composti ferro-zolfo e della piega “Rossmann”, che lega i nucleotidi. Ora ci sono prove che le due pieghe potrebbero aver condiviso un antenato comune e potenzialmente potrebbe essere stato il primo enzima metabolico della vita come la conosciamo.
Quindi perché ci preoccupiamo dell’alta pressione e, cosa ancora più importante, cosa ci darà una migliore comprensione adesso?
La terapia iperbarica è stata considerata una potenziale soluzione a molti problemi. In effetti, tutti i superyacht più lussuosi ne hanno uno sottocoperta per decomprimersi dopo un’immersione in profondità. Detto questo, è stato suggerito come un modo per distruggere le fibrille amiloidi nella malattia di Alzheimer.
Ma sarebbe davvero corretto farlo?
Un potenziale problema è che l’effetto dell’alta pressione sull’aggregazione proteica consiste, da una parte, nell’indurre stati intermedi inclini all’aggregazione e, dall’altro, nella capacità dell’alta pressione di prevenire l’aggregazione e dissociare gli aggregati. La suscettibilità degli aggregati proteici alla pressione dipende in gran parte dal grado dell’ordine strutturale di un aggregato. Gli aggregati freschi e amorfi sono più sensibili alla pressione e inclini al ripiegamento allo stato iniziale rispetto alle fibrille amiloidi mature.
Oltre all’Alzheimer, queste considerazioni possono complicare altri nobili sforzi ora in corso di revisione per eliminare gli aggregati di prioni infettivi ad alta pressione.
Un altro uso interessante sorge nel potenziale di decontaminazione degli alimenti mediante pretrattamento con alte pressioni. Forse ancora più tempestiva sarebbe la capacità di colpire selettivamente vari virus infettivi simili all’influenza usando l’alta pressione.
Fonte: Phys.org