Thiomargarita magnifica: le dimensioni (non) contano

Thiomargarita Magnifica: tra stupore e sorpresa nelle dimensioni

Sui batteri sappiamo molto, ed è altrettanto ciò che non sappiamo. Lo ha reso eloquentemente vero la scoperta fatta da Jean-Marie Volland, del Joint Genome Institute (JGI) del DOE degli USA presso il Lawrence Berkeley National Laboratory in California e da Olivier Gros, professore di biologia marina presso l’Università delle Antille in Guadalupa. Una scoperta che ha reso palese quanto la natura oscilli sempre fra enigma e sorpresa. Il gammaproteobatterio solforiduttore in questione sarebbe stato scoperto fra le mangrovie rosse caraibiche, una specie di alberi che regge un intero ecosistema, costituito da piante in gran parte legnose, che si sviluppano sui litorali bassi delle coste marine tropicali.

Questi alberi colonizzano fasce di terreno ad altissima salinità; vivendo quindi in condizioni a dir poco estreme, quasi intollerabili per la maggior parte degli altri organismi vegetali. Inoltre, detti vegetali forniscono una valida barriera contro tsunami ed inondazioni, assorbono i sedimenti sospesi, riducono l’effetto serra, implementano la produzione di miele delle api ecc. Ecco, questo è l’ambiente nel quale ha vissuto – presumibilmente per milioni di anni – il microrganismo dalle grandi dimensioni Thiomargarita Magnifica (il cui nome significa la perla di zolfo) ed una delle domande poste dai ricercatori è proprio questa: può questa specie batterica sopravvivere in altri ambienti?

La domanda posta può contenere una risposta altrettanto interessante. O meglio apre un altro dibattito. La Thiomargarita Magnifica presenta delle dimensioni assolutamente inusuali per essere, di fatto, un batterio; ben 5.000 volte le dimensioni comuni! Il che lo rende visibile ad occhio nudo, considerando che i batteri ordinari sono grandi qualche micrometro, ossia qualche millesimo di millesimo di metro. 

Confronto delle dimensioni di Thiomargarita magnifica con un tardigrado. Immagine tramite Volland et al./ Sci-News.com.
Figura 1 – Confronto delle dimensioni di Thiomargarita magnifica con un tardigrado. Immagine tramite Volland et al./ Sci-News.com.

A questo punto è opportuno fare delle brevi ed utili dissertazioni e specifiche di natura biologica e biochimica

Un batterio è un essere vivente, un organismo, di tipo procariotico, ossia che si differenzia da un organismo eucariotico per l’assenza delle membrane plasmatiche. In che senso? Il batterio è l’unico componente (assieme all’archeobatterio) a far parte della classe dei procarioti in quanto esso non contiene alcun organulo circondato da membrane. Le cellule procariotiche hanno circa un decimo delle dimensioni di quelle eucariotiche, ad esempio le cellule che compongono il nostro corpo e non solo. Nelle cellule procariotiche il DNA non è racchiuso in un nucleo (con tanto di nucleolo, come nelle cellule eucariotiche) ma si trova in una zona nucleoide. Detta area non è determinata da una membrana plasmatica. In effetti, procariota significa letteralmente “prima del nucleo”!

Ecco, in questo sta una delle principali differenze fra la Thiomargarita Magnifica e gli altri batteri. La prima infatti presenta una primitiva organizzazione dei filamenti di DNA nella zona nucleare; organizzazione che non è presente negli altri procarioti, il cui DNA “nuota” liberamente nel citoplasma, ossia il liquido contenente i componenti protoplasmatici. Valland, che ha avuto l’onore di vedere un proprio articolo pubblicato sulla rivista Science, al n.ro 6600 del 23 giugno 2022, ha accettato la sfida di visualizzare queste cellule in varie dimensioni, e per questo si è servito di tecniche quali la Tomografia ai Raggi X, visualizzando filamenti lunghi fino a 9,66 millimetri, confermando che si trattava di cellule giganti più che di filamenti pluricellulari, come avveniva già in altri batteri solforati di grandi dimensioni. Può essere utile ricordare che alcuni batteri – generalmente anaerobi – utilizzano lo zolfo invece dell’ossigeno come accettore finale della loro respirazione.

Confronto delle dimensioni di vari batteri giganti, tra cui Thiomargarita magnifica. Immagine tramite Volland et al./ Sci-News.com.
Figura 2 – Confronto delle dimensioni di vari batteri giganti, tra cui Thiomargarita magnifica. Immagine tramite Volland et al./ Sci-News.com

PEPINS

Valland ha usato le strutture di imagining disponibili al Berkeley Lab per visualizzare filamenti e membrane cellulari in modo più dettagliato. Questo gli avrebbe permesso di osservare nuovi compartimenti legati alla membrana contenenti ammassi di DNA; organi chiamati PEPINS, o PEPINI, dal nome dei semini della frutta. Quindi, riallacciandosi a quanto scritto prima, il DNA della Thiomargarita Magnifica godrebbe di un abbozzo di organizzazione, a differenza degli altri batteri. Il batterio in questione contiene infatti centinaia di migliaia di copie del genoma, sempre nei Pepini distribuiti nell’intera cellula… la cosiddetta “poliploidia”, ossia un soprannumero di cromosomi. 

Il team di JGI ha quindi usato la genomica a cellula singola (un metodo per il sequenziamento del DNA) per analizzare la cellula batterica. I genomi sono stati amplificati, sequenziati ed assemblati per 5 cellule batteriche. Parallelamente il team del laboratorio di Gros ha usato una tecnica di etichettatura nota come BONCAT, acronimo della complessa estensione Bioorthogonal Noncanonical Aminoacid Tagging, cioè una tecnica di etichettatura metabolica delle proteine, utilizzando amminoacidi marcati con radioisotopi, consentendo analisi e funzione della sintesi proteica.

BONCAT ha confermato che le cellule erano attive. Questo evidenzia il fatto non solo della complessità dagli organismi più semplici, ma anche negli organismi più semplici. 

Thiomargarita Magnifica sfida i paradigmi della biologia con le sue dimensioni

Insomma Thiomargarita Magnifica sfida gli attuali paradigmi di cosa sia una cellula batterica, secondo quanto dichiarato da Shailesh Date, fondatore e CEO di LRC. Forse dobbiamo cominciare a pensare alla classificazione delle cellule procariotiche in base alle caratteristiche biochimiche, peraltro molto eterogenee, anziché sulla base della differenza con le cellule eucariotiche. 

Per quanto riguarda le dimensioni del superbatterio in questione, esse possono essere oggetto di una trattazione a parte, essendo questo il nucleo della questione. È sufficiente consultare in rete o in cartaceo un qualunque testo di biologia (nello specifico di batteriologia) per rendersi conto di come i batteri vengano definiti essere organismi di piccolissime dimensioni – come già ribadito, di qualche micrometro, insomma, delle cellule – unità basica della vita – con assenza di compartimentazioni. In questo senso, la teoria cellulare è un concetto unificante della biologia e finora si era creduto che le dimensioni cellulari avessero un limite; certo, non è una novità che certe cellule eucariotiche siano visibili ad occhio nudo, basti pensare ad un uovo di struzzo o di gallina, nei quali però buona parte della sostanza è composta da elementi nutritivi.

Una vista ravvicinata di un filamento del batterio gigante Thiomargarita magnifica. È il più grande batterio mai scoperto, lungo circa 0,4 pollici (1 centimetro). Immagine tramite Jean-Marie Volland/ Sci-News.com.
Figura 3 – Una vista ravvicinata di un filamento del batterio gigante Thiomargarita magnifica. È il più grande batterio mai scoperto, lungo circa 0,4 pollici (1 centimetro). Immagine tramite Jean-Marie Volland/ Sci-News.com.

Da cosa sono determinate le dimensioni delle cellule, procariotiche ed eucariotiche? Una qualunque di queste deve assumere sostanze utili al proprio metabolismo e secernere tossine e materiale di scarto. Tutto deve passare attraverso la membrana plasmatica, composta da una doppia barriera fosfolipidica intervallata da proteine e opanoidi (che aumentano la fluidità delle membrane dei procarioti). La membrana non solo deve essere molto selettiva riguardo i passaggi, ma deve essere grande rispetto al volume cellulare, tale da rispondere alle necessità di regolare il passaggio di materiale. A mano a mano che il volume aumenta, esso prende il sopravvento sulla superficie utile per gli scambi: per questo alla natura convengono superfici ampie a parità di volumi ristretti! Esiste una vera e propria ratio critica fra il volume e la superficie utile. 

Questa ratio pare essere stata messa in discussione dalla Thiomargarita Magnifica, ma bisogna tenere conto che in natura esiste una serie di espedienti utili a mantenere un corretto rapporto fra le due componenti succitate, ossia l’assunzione di forme allungate e particolari, cosa già nota fra le cellule eucariotiche vegetali ma anche animali; basti pensare ai nostri neuroni o alle cellule dell’epitelio. 

Insomma, le dimensioni contano, certo, ma dipende anche dalla forma che assumono!

Fonti

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