Asgard archaea: coltivati gli incoltivabili

La prima coltura di un Asgard archaea

Arriva dal Giappone la notizia che per la prima volta è stato possibile coltivare un tipo di microorganismi considerato incoltivabile. In un cosiddetto “pre-print”, ovvero una bozza di un articolo scientifico che non è ancora stata sottoposta a revisione da parte di nessun giornale specializzato, ma molto popolare tra i ricercatori per comunicare velocemente una recente scoperta, Imachi e collaboratori annunciano di essere riusciti, dopo 12 anni, a coltivare gli Asgard archaea

“Questo è un articolo imponente che rispecchia tantissimo lavoro” afferma Thijs Ettema, un microbiologo della facoltà di Wageningen, nei Paesi Bassi. “Abbiamo imparato molto dal loro genoma, ma abbiamo bisogno di una coltura pura per ampliare le nostre conoscenze”.

Da dove arrivano?

Nel 2015, a 2500 metri sotto la superficie del mar glaciale Artico, Spang e collaboratori isolarono da un camino idrotermale, una struttura geologica simile a un castello da cui fuoriesce acqua ad alte temperature, un nuovo gruppo di Archaea, denominati Lokiarchaeota.

Usando la metagenomica, ossia sequenziando i frammenti genetici isolati dal miscuglio di microbi, i ricercatori hanno assemblato i frammenti in genomi completi e hanno potuto accostarli ad altri gruppi noti di archeobatteri, chiamati Thorarchaeota, Odinarchaeota e Heimdallarchaeota, che formano il gruppo degli Asgard. 

Perché sono così importanti?

Prima della comparsa degli eucarioti, circa 2 miliardi di anni fa, la vita sulla Terra era dominata da procarioti, organismi privi di nucleo, che ancora oggi rappresentano due dei tre domini fondamentali della vita: gli Archaea e i batteri. 

Una delle teorie più accreditate attribuisce l’origine delle cellule eucariotiche all’endosimbiosi, secondo cui la cellula eucariotica è il risultato dell’unione di un proteobatterio e un Archaea. Secondo questa ipotesi, il proteobatterio si sarebbe poi evoluto in mitocondrio, la centrale energetica delle cellule eucariotiche da cui il nostro corpo è composto. Simili processi, inoltre, avrebbero dato origine agli altri organelli presenti all’interno della cellula eucariotica.

I dati raccolti finora sembrano collocare il protomitocondrio nella classe degli alfaproteobatteri, ma l’identità della cellula ospite restava un mistero. Mistero che sembra sempre meno irrisolto grazie ai Lokiarchaea. Il 3,3% dei loro geni, infatti, codifica per proteine molto simili a quelle eucariotiche, che svolgono funzioni legate alla formazione della struttura della cellula eucariotica. Funzioni solitamente assenti negli Archaea.

Una scoperta lunga dodici anni

Molti anni prima della scoperta dell’esistenza degli Asgard archaea, Hiroyuki Imachi, primo nome dell’articolo sopracitato, iniziò il duro lavoro che l’ha portato a questo incredibile risultato.

Prima della pubblicazione, gli autori del pre-print hanno dedicato 2000 giorni all’uso di un bioreattore in grado di mimare le condizioni del camino idrotermale da cui erano stati isolati. I primi risultati si sono fatti attendere per 5 anni.

In origine, la coltura di questo microrganismo ha portato all’isolamento di tre diversi microrganismi. In seguito a molti trasferimenti, ossia dei prelievi dal bioreattore a delle bottiglie di vetro e grazie ad approfondite analisi genetiche, è stato possibile identificare una piccola popolazione di Lokiarchaea. Le popolazioni comuni impiegano solitamente circa mezz’ora per raddoppiare. Lokiarchaea ha impiegato 20 giorni.

Finalmente, dopo 12 anni, i ricercatori sono riusciti a produrre una cultura stabile di soli Lokiarchaea in simbiosi con un altro differente Archaea produttore di metano. Insieme, i due Archaea formano una relazione simbiotica. Gli scienziati hanno chiamato la coltura Prometheoarchaeum syntrophicum

E’ molto importante essere riusciti ad ottenere una coltura di questi microrganismi, ciò significa che adesso si potrà studiare come i Lokiarchaea crescono. Inoltre si potrà studiare la loro fisiologia, cioè scoprire quali sono le loro funzioni vitali confermando le scoperte fatte attraverso la metagenomica.

Conosciamoli meglio

Sotto il microscopio, le cellule sono tondeggianti e larghe meno di 1 µm, ossia meno di un milionesimo di metro. Sono semplici microorganismi, ma dalla loro superficie possono crearsi protrusioni che si estendono dal loro corpo (Figura 1).

Figura 1. Immagini microscopiche degli Asgard archaea. Le immagini g e h rappresentano le protrusioni cellulari al microscopio elettronico a scansione (SEM), mentre nell’immagine i si mostra una sezione della cellula. Le frecce indicano le vescicole prodotte dalle cellule.

I ricercatori riportano che la produzione di energia avviene scomponendo gli aminoacidi e attraverso scambi di molecole con i microbi con cui sono in simbiosi.

Infine, con la messa appunto di una coltura pura si è potuta confermare la presenza di numerosi geni simili a geni eucarioti, dando un interessante spunto per molte altre ricerche in questo campo. 

Saremo adesso in grado di capire se la cellula eucariotica ha veramente inglobato un microrganismo simile ad un Archaea? Non si può esserne sicuri, ma certamente si sono fatti passi da gigante.

Bibliografia

  • Zaremba-Niedzwiedzka, K., Caceres, E. F., Saw, J. H., Bäckström, D., Juzokaite, L., Vancaester, E., … & Stott, M. B. (2017). Asgard archaea illuminate the origin of eukaryotic cellular complexity. Nature541(7637), 353.
  • Spang, A., Caceres, E. F., & Ettema, T. J. (2017). Genomic exploration of the diversity, ecology, and evolution of the archaeal domain of life. Science357(6351), eaaf3883.
  • Spang, A., Eme, L., Saw, J. H., Caceres, E. F., Zaremba-Niedzwiedzka, K., Lombard, J., … & Ettema, T. J. (2018). Asgard archaea are the closest prokaryotic relatives of eukaryotes. PLoS genetics14(3), e1007080.
  • Imachi, H., Nobu, M. K., Nakahara, N., Morono, Y., Ogawara, M., Takaki, Y., … & Matsui, Y. (2019). Isolation of an archaeon at the prokaryote-eukaryote interface. bioRxiv, 726976.

Federica Angius

Informazioni su Federica Angius 6 Articoli
Post-Doc nel dipartimento di microbiologia ambientale della Radboud University a Nimega, Paesi Bassi. Dopo aver frequentato una triennale in Biotecnologie e una specialistica in Genomica Funzionale, ho ottenuto il dottorato in Francia in Biologia Molecolare. Dal 2018 studio fisiologia e genetica dei batteri estremofili e le loro implicazioni nel ciclo del metano. Appassionata di troppe cose per il poco tempo libero. Non potrei fare a meno di viaggiare, una buona birra e del buon cibo.

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