Biomineralizzazione della silice: le diatomee

Le diatomee (classe Bacillariophyceae) sono uno dei gruppi di alghe unicellulari di maggior importanza, presenti sia in ambiente marino che di acque dolci e salmastre. Possiedono inoltre una teca in silice a scopo protettivo e di gestione della luce.

Le diatomee

Le diatomee appartengono alla classe Bacillariophyceae: essa include organismi autotrofi, eucarioti ed unicellulari racchiusi da un frustolo di silice biomineralizzata. Producendo dal 20 al 50% della quantità di ossigeno prodotto dalle piante terrestri, sono organismi molto importanti per la vita sul nostro pianeta. Il frustolo è costituito da due valve, dette teche: una superiore di dimensioni maggiori (epivalva o epiteca) ed una inferiore (ipovalva o ipoteca). Durante la riproduzione asessuale, che avviene per scissione binaria, una delle cellule figlie eredita l’epiteca mentre l’altra eredita l’ipoteca: quest’ultima diverrà l’epiteca della nuova diatomea, che quindi avrà dimensioni inferiori rispetto alla cellula madre (e alla sorella). Questo processo causa una riduzione progressiva delle dimensioni delle cellule figlie, fino a che, raggiunta una certa dimensione minima, si ha un evento di riproduzione sessuale, con la formazione di una auxospora che raggiunge le dimensioni originali.

Sono presenti due ordini storici, in base alla simmetria dell’organismo: Centrales (simmetria radiale) e Pennales (simmetria bilaterale). Negli ultimi anni è sempre di più emersa l’idea che questa classificazione non sia adeguata, e sono in corso studi molecolari per trovare una classificazione sostitutiva più accurata.

Diatomee, strutture — *Figura 2: Diatomee al microscopio ottico; in rosso i cloroplasti, in ciano la parete, in verde organelli e membrane e in blu il DNA [Luca Santangeli]*

Trasportatori SITs e SDV

Le diatomee generano il frustulo a partire da monomeri di acido ortosilicico, (Si(OH)₄). Il sistema di biocostruzione è gestito gerarchicamente e biologicamente; in natura, a piccolissima scala, è comune la presenza di autoassemblaggio, seppur mediato da proteine o polisaccaridi. Le diatomee hanno un forte intake dall’ambiente circostante, grazie anche a trasportatori appositi (SITs, SIlicic acid Transporter proteins): contro una concentrazione dell’acqua di mare di 1-100 µM, questi trasportatori permettono di raggiungere concentrazioni di svariate centinaia di mM. I SITs sono trapostatori Na⁺ dipendenti che vengono espressi maggiormente in condizioni di mancanza di Si.

Frustulo e SDV — *Figura 3 – Ciclo cellulare con SDV e costruzione delle valve [Sumper M. & Kroger N., 2004]*

La Silica Deposition Vescicle (SDV) rappresenta uno degli elementi cardine del sistema di bioprecipitazione della silice; si tratta di vescicole specializzate nel concentrare e mantenere la silice, presente sembra in forma di Si(OH)₄. Bisogna innanzitutto identificare due differenti SDV, presenti in fasi diverse del ciclo cellulare. Una prima SDV è presente quando, al momento della scissione binaria, le cellule figlie devono costruire le proprie ipoteche: si ha un esocitosi dell’intera ipoteca quando essa è completata, con la SDV che si fonde interamente con la membrana cellulare. Un’altra SDV è successivamente presente per la formazione del cingolo, lateralmente presente tra le due valve. Nella membrana della SDV sono presenti particolari proteine dette SAP (Silicalemma Associated Proteins), implicate nella morfogenesi della parete silicea.

Proteine SAP Silice — *Figura 4 – Localizzazione delle proteine SAP [Tesson et al., 2017]*

Silaffine

Per studiare la biocostruzione del frustolo nelle diatomee si è andati a dissolverlo con un mix di HF con relativo tampone: così facendo la componente inorganica viene disciolta, ma le proteine non vengono denaturate. Con questa metodologia si ottengono lunghe catene poliamminiche e proteine a basso PM ricche in lisina, chiamate silaffine. Queste molecole possono catalizzare la bio-precipitazione della silice da sole, con un pH acido attorno a 5. Successivamente lo studio di queste silaffine è continuato seguendo un approccio proteomico; le lunghe catene di poliammine precedentemente isolate sono risultate modifiche post-traduzionali delle silaffine stesse. Uno dei primi organismi su cui sono stati eseguiti questi studi è stato Cylindrotheca fusiformis. Le silaffine 1A e 1B, da esso isolate, sono proteine policationiche con lunghe catene poliamminiche (da 5 a 11 atomi di N-metilpropilammina) e con i residui di serina che risultano fosforilati.

Le silaffine sono molecole estremamente attive nel promuovere la precipitazione della silice; in particolare le Native Silaffins NatSil1 (1A e 1B) e NatSil2, che ritroviamo a livello delle valve. Il processo di polimerizzazione in cui sono coinvolte è stato diviso in tre fasi:

Condensazione dell’acido silicilico in dimeri, trimeti e poi oligomeri ciclici
Il nucleo di silice che si forma evolve in piccole sferette
Le sferette di silice formano un network tridimensionale

Partendo così da un sol in cui è dispersa la silice inorganica, arriviamo ad un gel sempre più solido. Questo processo di morfogenesi della silice vede direttamente coinvolta NatSil1, mentre si ipotizza che NatSil2 abbia una funzione regolatoria.

Frustolo silice — *Figura 5 – Ordini di complessità sempre in crescita durante la bioprecipitazione della silice coadiuvata dalle silaffine [Sumper M. & Kroger N., 2004]*

Silaffin-like e cinguline

Approcci genomici e bioinformatici hanno portato alla scoperta di nuove classi di proteine, chiamate silaffin-like: il loro ruolo è molto vario, da sinergico con le silaffine a regolatorio in caso di carenza (starvation) di silice. Impiegando come organismo modello Thalassiosira pseudonana e sfruttando uno specifico peptide segnale è stata identificata una classe di proteine chiamate cinguline. Le cinguline si organizzano in micro-anelli presenti a livello del cingolo, agendo da vero e proprio template per la bio-deposizione della silice; questo risultato ha sfruttato la GFP, coniugandola con le cinguline e seguendole all’interno della diatomea per confermare l’ipotesi dei micro-anelli a livello del cingolo. Questo approccio ha permesso la scoperta di altre silaffin-like, alcune coinvolte nella formazione di bio-silice all’interno della SDV e altre secrete all’esterno, con ruolo regolatorio.

Assemblaggio del frustolo

L’assemblaggio del frustolo è regolato da proteine come le frustuline e le pleuraline; non essendo direttamente legate alla sintesi della bio-silice all’interno della SDV, vi prendono contatto una volta che essa viene secreta all’esterno. Le frustuline possiedono lunghe catene amminoacidiche ricche in gruppi -SH; ciò permette loro di creare ponti disolfuro che portano alla formazione di una rete strutturale su cui può innestarsi la bio-silice secreta dalla SDV; si ipotizza quindi la funzione di template per la bio-costruzione del frustolo. Anche questo modello ha avuto conferma mediante la coniugazione con GFP. Le pleuraline sono localizzate unicamente sull’epiteca, al contrario delle frustiline che sono presenti su tutto il frustolo.