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La micrografia ottica mostra l'alga aptofita marina Braarudosphaera bigelowii con una freccia nera che indica l'organello nitroplasto. Credito: Tyler Cole
I moderni libri di biologia affermano che solo i batteri sono in grado di prelevare l'azoto dall'atmosfera e convertirlo in una forma abitabile. Le piante che fissano l'azoto, come i legumi, lo fanno ospitando batteri simbiotici nei loro noduli radicali. Ma l'ultima scoperta capovolge questa regola.
In due articoli recenti, un team internazionale di scienziati descrive il primo organello conosciuto per la fissazione dell'azoto all'interno di una cellula eucariotica. L'organello è il quarto esempio nella storia dell'endosimbiosi primaria, il processo mediante il quale una cellula procariotica viene fagocitata da una cellula eucariotica ed evolve oltre la simbiosi in un organello.
"È molto raro che gli organelli nascano da questo genere di cose", ha detto Tyler Cole, ricercatore post-dottorato presso l'UC Santa Cruz e primo autore di uno dei due articoli recenti. "La prima volta che abbiamo pensato che ciò accadesse, ha dato origine a tutte le forme di vita complesse. Tutto ciò che è più complesso di una cellula batterica deve la sua esistenza a questo evento", ha detto, riferendosi alle origini dei mitocondri. "Un miliardo di anni fa o giù di lì, ciò accadde di nuovo con i cloroplasti, e questo ci diede le piante", ha detto Cole.
Un terzo esempio ben noto riguarda un microbo simile al cloroplasto. L'ultima scoperta è il primo esempio di organello che fissa l'azoto, che i ricercatori chiamano nitroplasto.
Un mistero vecchio di decenni
La scoperta dell'organello ha richiesto un po' di fortuna e decenni di lavoro. Nel 1998, Jonathan Zehr, un illustre professore di scienze marine presso l'Università della California, a Santa Cruz, trovò una breve sequenza di DNA di quello che sembrava provenire da uno sconosciuto cianobatteri che fissano l'azoto nell'acqua di mare del Pacifico. Zahr e i suoi colleghi hanno trascorso anni a studiare l'oggetto misterioso, a cui hanno dato il nome UCYN-A.
Nel frattempo, Kyoko Hagino, paleontologa dell'Università di Kochi in Giappone, stava cercando attivamente di coltivare le alghe. Si è rivelato essere l'organismo ospite di UCYN-A. Ci sono volute più di 300 spedizioni di campionamento e più di un decennio, ma alla fine Hagino è riuscito a far crescere le alghe in coltura, consentendo ad altri ricercatori di iniziare a studiare insieme UCYN-A e le sue alghe marine ospiti in laboratorio.
Per molti anni gli scienziati hanno considerato l'UCYN-A un endosimbionte strettamente imparentato con le alghe. Ma i due studi recenti suggeriscono che UCYN-A si è coevoluto con il suo precedente ospite simbiotico e ora soddisfa i criteri per un organello.
Origini biologiche
In un articolo pubblicato in cellula Nel marzo 2024, Zahr e colleghi del MIT, dell'Instituto de Ciencia Barcelona e dell'Università del Rhode Island hanno dimostrato che il rapporto volumetrico tra UCYN-A e le alghe ospiti è simile tra le diverse specie di alghe eufite marine. Prarodosphaera bigeloi.
I ricercatori utilizzano un modello per dimostrare che la crescita delle cellule ospiti e l'UCYN-A sono controllati dallo scambio di nutrienti. I loro processi metabolici sono correlati. Questa sincronizzazione nei tassi di crescita ha portato i ricercatori a chiamare UCYN-A "simile ad un organello".
"Questo è esattamente ciò che accade con gli organelli", ha detto Zahr. "Se guardi i mitocondri e i cloroplasti, sono la stessa cosa: si espandono con la cellula".
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Un morbido Credito: Valentina Loconte
Ma gli scienziati non hanno definito con sicurezza l'UCYN-A un organello finché non hanno confermato altre prove. Nel Articolo di copertina Dalla rivista Scienze, pubblicato oggi, presenta Zahr, Qualley, Kendra Turk Kubo, Wing-Kwan Esther Mak dell'Università della California, Santa Cruz e collaboratori dell'Università della California, San Francisco, Lawrence Berkeley National Laboratory, National Taiwan Ocean University e Kochi Università in Giappone. UCYN-A importa proteine dalle sue cellule ospiti.
"Questo è uno dei tratti distintivi di qualcosa che va da un endosimbionte a un organello", ha detto Zahr. "Cominciano a sbarazzarsi di pezzi di DNA, il loro genoma diventa sempre più piccolo e iniziano a fare affidamento sulla cellula madre per trasportare quei prodotti genetici – o la proteina stessa – nella cellula".
Cole ha lavorato sulle proteine da studiare. Ha confrontato le proteine trovate all'interno dell'UCYN-A isolata con quelle trovate nell'intera cellula ospite dell'algale. Ha scoperto che la cellula ospite produce proteine e le etichetta con una specifica sequenza di aminoacidi, che dice alla cellula di inviarle al nitroplasto. Il nitroblasto quindi importa e utilizza le proteine. Cole ha identificato la funzione di alcune proteine che colmano le lacune in percorsi specifici all'interno di UCYN-A.
"È una specie di puzzle magico che si incastra e funziona insieme", ha detto Zahr.
Nello stesso articolo, i ricercatori dell'Università della California, a San Francisco, hanno dimostrato che l'UCYN-A si replica insieme alla cellula algale e viene ereditato come gli altri organelli.
Cambiare prospettive
Queste linee di prova indipendenti non lasciano dubbi sul fatto che UCYN-A abbia trasceso il ruolo di simbionte. Mentre i mitocondri e i cloroplasti si sono evoluti miliardi di anni fa, i nitroplasti sembrano essersi evoluti circa 100 milioni di anni fa, fornendo agli scienziati una prospettiva nuova e più moderna sulla formazione degli organelli.
L'organello fornisce anche informazioni sugli ecosistemi oceanici. Tutti gli organismi viventi hanno bisogno di azoto in una forma biologicamente utilizzabile e l'UCYN-A è importante a livello globale per la sua capacità di fissare l'azoto dall'atmosfera. I ricercatori lo hanno trovato ovunque, dai tropici all'Oceano Artico, e fissa una grande quantità di azoto.
"Non è solo un altro giocatore", ha detto Zehr.
Questa scoperta ha anche il potenziale per cambiare l'agricoltura. La capacità di produrre fertilizzanti ammoniacali dall'azoto atmosferico ha permesso all'agricoltura – e alla popolazione mondiale – di decollare all'inizio del XX secolo. Questo processo è noto come processo Haber-Bosch e consente la produzione di circa il 50% del cibo mondiale. Producono anche enormi quantità di anidride carbonica: circa l'1,4% delle emissioni globali deriva da questo processo. Per decenni, i ricercatori hanno cercato di scoprire un modo per incorporare la fissazione naturale dell'azoto nell'agricoltura.
"Questo sistema rappresenta una nuova prospettiva sulla fissazione dell'azoto e può fornire indizi su come progettare un tale organello nelle piante coltivate", ha affermato Cole.
Ma molte domande sull'UCYN-A e sul suo ospite algale rimangono senza risposta. I ricercatori intendono approfondire il funzionamento dell'UCYN-A e delle alghe e studiare diversi ceppi.
Kendra Turk-Cobo, assistente professore alla UC Santa Cruz, continuerà la ricerca nel suo nuovo laboratorio. Zahr si aspetta che gli scienziati troveranno altri organismi con storie evolutive simili a UCYN-A, ma essendo la prima nel suo genere, questa scoperta entrerà nei libri di testo.
maggiori informazioni:
Tyler H. Cole et al., Un organello che fissa l'azoto nelle alghe marine, Scienze (2024). doi: 10.1126/science.adk1075
Francesco M. Cornejo-Castillo et al., I compromessi metabolici limitano il rapporto tra le dimensioni delle cellule nella simbiosi di fissazione dell'azoto, cellula (2024). doi: 10.1016/j.cell.2024.02.016