Dopo anni di intensa ricerca, un team internazionale ha finalmente ottenuto la prova che un microbo, precedentemente considerato indipendente, si è trasformato in un residente permanente all'interno delle cellule delle alghe, svolgendo un ruolo cruciale nella fissazione dell'azoto.
L'endosimbiosi primaria
Le moderne opere di biologia affermano comunemente che solo i batteri hanno la capacità di estrarre l'azoto dall'atmosfera e convertirlo in una forma utilizzabile per la vita. Tradizionalmente, le piante capaci di fissare l'azoto, come i legumi, lo fanno ospitando batteri simbiotici nei loro noduli radicali. Tuttavia, una recente scoperta ha rivoluzionato questa concezione consolidata.
In due articoli di rilievo, un team internazionale di scienziati ha descritto il primo organello conosciuto per la fissazione dell'azoto all'interno di una cellula eucariotica. Questo organello rappresenta il quarto caso documentato nella storia dell'endosimbiosi primaria, un processo in cui una cellula procariotica viene incorporata da una cellula eucariotica e evolve fino a diventare un organello funzionale.
"È estremamente raro che gli organelli derivino da tale processo", ha dichiarato Tyler Coale, uno studioso post-dottorato presso l'UC Santa Cruz e autore principale di uno dei due recenti articoli. "La prima volta che pensiamo che ciò sia accaduto ha dato origine all'intera complessità della vita. Tutto ciò che supera una singola cellula batterica deve la sua esistenza a quell'evento", ha aggiunto, riferendosi alle origini dei mitocondri. "Circa un miliardo di anni fa, o giù di lì, si è verificato un altro evento simile con i cloroplasti, il che ha portato all'emergere delle piante", ha continuato Coale.
Il caso del nitroplasto
Il terzo caso documentato riguarda un microbo simile a un cloroplasto, e l'organello di questa recente scoperta è stato denominato nitroplasto.
La scoperta di questo organello ha richiesto una combinazione di fortuna e decenni di lavoro. Nel 1998, Jonathan Zehr, un rinomato professore di scienze marine presso l'Università di Santa Cruz, ha individuato una breve sequenza di DNA proveniente da un presunto cianobatterio, in grado di fissare l'azoto, nelle acque dell'Oceano Pacifico. Zehr e i suoi colleghi hanno dedicato anni allo studio di questo misterioso organismo, chiamato UCYN-A.
Nel frattempo, Kyoko Hagino, una paleontologa dell'Università di Kochi in Giappone, ha condotto estenuanti tentativi per coltivare un'alga marina, che si è rivelata essere l'ospite di UCYN-A. Dopo oltre 300 spedizioni di campionamento e più di un decennio di sforzi, Hagino è finalmente riuscita a coltivare con successo l'alga in laboratorio, consentendo ad altri ricercatori di iniziare a studiare l'UCYN-A e l'alga marina che lo ospita.
Per anni, gli scienziati hanno considerato l'UCYN-A come un endosimbionte strettamente associato a un'alga. Tuttavia, i recenti studi suggeriscono che UCYN-A si sia evoluto insieme al suo ospite in un passato lontano, fino a diventare un organello in grado di svolgere funzioni metaboliche cruciali all'interno della cellula eucariotica.
In un articolo pubblicato su Cell a marzo, Zehr e colleghi provenienti dal Massachusetts Institute of Technology, dall'Institut de Ciències del Mar di Barcellona e dall'Università di Rhode Island hanno dimostrato che il rapporto dimensionale tra UCYN-A e le sue alghe ospiti è simile tra le diverse specie dell'alga marina aptofita Braarudosphaera bigelowii.
Lo status di organello di UCYN-A
Tuttavia, gli scienziati non hanno confermato definitivamente lo status di organello di UCYN-A fino a quando non hanno ottenuto ulteriori prove. In un articolo di copertina pubblicato sulla rivista Science la scorsa settimana, il team dell'UC Santa Cruz, in collaborazione con il Lawrence Berkeley National Laboratory, l'UC San Francisco, la National Taiwan Ocean University e l'Università di Kochi, ha dimostrato che UCYN-A si basa sulle proteine delle sue cellule ospiti e che il processo di replicazione e divisione dell'organello è strettamente associato al processo cellulare dell'alga ospite.
"Fino a questo articolo, rimaneva il dubbio se UCYN-A fosse ancora un endosimbionte o se fosse diventato un vero e proprio organello", ha affermato Carolyn Larabell, scienziata senior della facoltà di bioscienze del Lawrence Berkeley National Laboratory e direttrice del Centro Nazionale per la Tomografia a Raggi X. "Abbiamo dimostrato con l'imaging a raggi X che il processo di replicazione e divisione dell'organello e dell'algale ospite è sincronizzato, fornendo la prima prova tangibile", ha continuato Larabell.
L'organello di UCYN-A, noto come nitroplasto, fornisce nuove prospettive sulla fissazione dell'azoto e potrebbe essere fondamentale per lo sviluppo di tecnologie sostenibili in agricoltura. Inoltre, la sua scoperta apre nuove strade per la comprensione dell'evoluzione delle cellule eucariotiche e del loro ruolo negli ecosistemi oceanici.
Nonostante i notevoli progressi finora compiuti, molte domande riguardo a UCYN-A e al suo ospite algale rimangono ancora senza risposta. Tuttavia, gli scienziati sono determinati a perseguire ulteriori ricerche per svelare i misteri di questo straordinario organello e delle sue implicazioni nella biologia e nell'ecologia marina.