Microrganismo Luca, l'antenato comune

Quella di LUCA (Last Universal Common Ancestor) è la teoria secondo la quale esisterebbe un progenitore dal quale tutti gli organismi attuali discendono. Si tratterebbe dunque dell’antenato comune più recente di tutti gli organismi viventi attuali e probabilmente anche delle forme di vita ormai estinte. Si stima che LUCA fosse vissuto tra i 3.6 e i 4.1 miliardi di anni fa. D’altra parte però non si può escludere la possibilità di trovare resti di esseri della sua stessa o maggiore antichità. E’ importante specificare che LUCA non significa

che sia il primo essere vivente esistito e che in principio esisteva soltanto questo organismo
che sia l’organismo attuale con le caratteristiche più simili all’antenato comune.

La teoria del microrganismo LUCA

Per molto tempo gli studiosi ritennero che LUCA non fosse altro che un assemblaggio di molecole in una zuppa primordiale. In seguito, sotto la pressione evolutiva dell’ambiente, si sarebbero sviluppate forme di vita più complesse. Studi successivi suggerirono che in realtà LUCA fosse un organismo più complesso, quasi al pari di una cellula.

Gli studiosi interessati a indagare sull’orgine degli esseri viventi costruirono cladogrammi basati sulla distanza genetica di tutti gli organismi viventi. Il risultato portò all’ipotesi che inizialmente fosse avvenuta una separazione tra gli Archaea e tutti gli altri viventi (batteri ed eucarioti). Dato che all’epoca gli Archaea conosciuti vivevano esclusivamente in condizioni ambientali estreme, si ipotizzò che LUCA fosse vissuto nei fondali oceanici.

Cladogramma che collega tutti gli organismi viventi a cui è stato sequenziato il genoma al microrganismo LUCA. — *Figura 1: cladogramma che collega tutti gli organismi viventi a cui è stato sequenziato il genoma a LUCA [Fonte: Hayadan].*

Il modello di LUCA

Dato che i primi organismi che si svilupparono da LUCA furono gli archaea e i batteri, gli scienziati ipotizzarono che il microrganismo LUCA avesse caratteristiche intermedie. La differenza principale tra eucarioti ed archaea sta nella composizione della membrana cellulare. Un gruppo di scienziati, dunque, decise di creare un organismo modello che potesse dare un’idea di come fosse fatto LUCA. Tramite tecniche di ingegneria genetica, fecero esprimere dei lipidi della membrana degli archaea in un ceppo di Escherichia coli. Dall’esperimento è emerso che l’introduzione della via di biosintesi dei lipidi degli archaea ha portato alla formazione di un batterio dalla forma allungata e sottile. Per di più, l’organismo ibrido presenta un rallentamento della crescita cellulare e la formazione di estrusioni che spesso vengono rilasciate dalla cellula stessa. Sembra che le appendici si formino in seguito a una divisione cellulare asimmetrica, dovuta probabilmente all’elevato contenuto lipidico dell’ibrido.

Il modello del microrganismo LUCA. Con JM109(DE3) si indica E.coli wild type, mentre per E.coli MEP/DOXP+EL+ si indica il ceppo batterico ibrido. Nelle immagini I vediamo come la forma e la lunghezza batterica sia alterata. Le figure II mostrano che la divisione celulare nell'ibrido è aberrante, inoltre si formano dei rigonfiamenti. Immagini ottenute tramite microscopio elettronico a scansione (SEM). — Figura 2: con JM109(DE3) si indica E.coli wild-type, mentre per E.coli MEP/DOXP+EL+ si indica il ceppo batterico ibrido. Nelle immagini I vediamo come la forma e la lunghezza batterica sia alterata. Le figure II mostrano che la divisione celulare nell’ibrido è aberrante, inoltre si formano dei rigonfiamenti. Immagini ottenute tramite microscopio elettronico a scansione (SEM) [Fonte: PNAS].

LUCA: una cellula complessa

La principale differenza tra gli archaea e i batteri sta nella membrana cellulare, l’espressione di canali ionici e la replicazione del DNA. Dato che da LUCA si sono originati questi due domini, un gruppo di scienziati ha ipotizzato quale potesse essere la richiesta energetica di LUCA. In questo studio fu ipotizzato che il nostro antenato fosse in grado di sfruttare il gradiente protonico naturale per potenziare il metabolismo energetico. Però, solo nelle cellule con permeabilità pari a quella delle vescicole degli acidi grassi ciò accade. Infatti, le moderne membrane formate da fosfolipidi hanno una permeabilità minore e per questo necessitano di sistemi di pompaggio dei protoni. Gli scienziati proposero dunque che all’epoca il microrganismo LUCA esprimesse un canale sodio-protone antiporto (SPAP) dal quale si sarebbero originati i canali ionici moderni.

L’ipotesi dell’evoluzione dei canali e delle membrane

A partire da questa cellula che esprimeva esclusivamente SPAP, si sarebbero originate popolazioni distinte che avrebbero sviluppato canali ionici ed enzimi differenti. Da qui sarebbe nata dunque la divergenza tra i due domini. Questo studio sembrerebbe chiarire il paradosso per cui archaea e batteri condividono la trascrizione, traduzione e l’ATP sintasi, ma differiscono in tratti ugualmente fondamentali. Queste caratteristiche diverse sono quelle che dipendono dalla membrana, inclusa la replicazione del DNA.

Gli ioni attraersano la membrana in base ai gradienti di concentrazione e al potenziale elettrico. OH− neutralizza i proitoni che entrano. Il gradiente H+ può guidare il metabolismo tramite l'ATPasi. (B) SPAP genera un gradiente Na+ a partire dal gradiente H+. Dato che Na+ è meno permeabile di H+, SPAP ne aumenta i pompaggio all'interno della cellula. (C) L pompe di membrana generano gradienti facendo uscire H+ o Na+. (D) Lo sfruttamento di gradienti ionici naturali richiede un'alta permeabilità di membrana, ma il pompaggio da parte di SPAP guida l'evoluzione verso lo sviluppo di membrane più sottili, facilitando la colonizzazione di ambienti meno alcalini. (E) Le membrane impermeabili sfruttano preoteine di membrana per avere un flusso ionico. (F) Dal basso verso l'alto, SPAP favorisce la divergenza: si sviluppano membrane più sottili, dotate di pompaggio attivo. Il pompaggio e le membrane fosfolipidiche si sarebbero sviluppate indipendentemente negli archaea e nei batteri. . Gli scienziati proposero dunque che all'epoca il microrganismo LUCA esprimesse un canale sodio-protone antiporto (SPAP) dal quale si sarebbero originati i canali ionici moderni. — Figura 3: (A) gli ioni attraversano la membrana in base ai gradienti di concentrazione e al potenziale elettrico. OH⁻ neutralizza i protoni che entrano. Il gradiente H⁺ può guidare il metabolismo tramite l’ATPasi. (B) SPAP genera un gradiente Na⁺ a partire dal gradiente H⁺. Dato che Na⁺ è meno permeabile di H⁺, SPAP ne aumenta i pompaggio all’interno della cellula. (C) Le pompe di membrana generano gradienti facendo uscire H⁺ o Na⁺. (D) Lo sfruttamento di gradienti ionici naturali richiede un’alta permeabilità di membrana, ma il pompaggio da parte di SPAP guida l’evoluzione verso lo sviluppo di membrane più sottili, facilitando la colonizzazione di ambienti meno alcalini. (E) Le membrane impermeabili sfruttano proteine di membrana per avere un flusso ionico. (F) Dal basso verso l’alto, SPAP favorisce la divergenza: si sviluppano membrane più sottili, dotate di pompaggio attivo. Il pompaggio e le membrane fosfolipidiche si sarebbero sviluppate indipendentemente negli archaea e nei batteri *[Fonte: Plos].*

Alcuni sostengono che i batteri siano così semplici perché devono vivere in ambienti estremi e devono riprodursi rapidamente. Se così fosse, i batteri potrebbero possedere forme genetiche e strutturali ridotte rispetto a ciò che possedeva la cellula primitiva da cui derivano. Da ciò deriva che forse LUCA è stato un microrganismo più complesso di quanto ipotizzato inizialmente.

L’ipotesi di Saccorhytus coronarius

Durante degli scavi in Cina, dei paleontologi scoprirono dei fossili di circa 1 mm di diametro, appartenenti ad una specie sconosciuta. Data la sua forma a sacco e alla presenza di una corona intorno alla bocca, venne chiamata Saccorhytus coronarius. Si pensa che l’organismo sia vissuto nei fondali marini all’inizio del Cambriano, circa 540 milioni di anni fa.

Gli scienziati affermarono che S. coronarius fosse l’esemplare più primitivo appartenente ai deuterosomi, categoria a partire dalla quale si sono sviluppati i vertebrati, compreso l’uomo. Infatti, come noi, S. coronarius presentava una simmetria bilaterale, pelle e muscoli, aveva una bocca circondata da spine. Stranamente, l’organismo risultava privo di ano: probabilmente utilizzava la bocca sia per nutrirsi che per espellere i rifiuti. Questa caratteristica è insolita nei deuterosomi, i quali presentano un apparato digerente completo. Infine, gli studiosi pensarono che le fessure presenti ai lati della bocca fossero i precursori evolutivi delle branchie.

Rappresentazione di Sacchorytus coronarius. L'organismo ha una forma a sacco e una bocca, che usava anche come ano, circondata da una corona. — *Figura 4: rappresentazione di Sacchorytus coronarius. L’organismo ha una forma a sacco e una bocca, che usava anche come ano, circondata da una corona [Fonte: Twitter].*

Utilizzando tecniche ad alta risoluzine, fu possibile osservare meglio i reperti e crearono un modello 3D. Gli studiosi capirono che le aperture non fossero altro che la base per ulteriori spine. Sembrerebbe dunque che S. coronarius appartenesse al gruppo degli Ecdysozoa, che include insetti, crostacei e vermi cilindrici. Alcuni membri di questo gruppo hanno spine intorno alla bocca che utilizzano per catturare le prede. E’ possibile che questo organismo utilizzasse le spine allo stesso scopo. Questi studi confutarono dunque l’ipotesi che S. coronarius fosse il nostro microrganismo LUCA.

Ricostruzione 3D del microrganismo Saccorhytus coronarius. Quella che sembrava un'enorme bocca probabilmente ospitava una serie di spine con lo scopo di catturare le prede. — *Figura 5: ricostruzione 3D di Saccorhytus coronarius. Quella che sembrava un’enorme bocca probabilmente ospitava una serie di spine con lo scopo di catturare le prede [Fonte: Gizmodo].*

Teorie che negano l’esistenza di LUCA

Carl Woese è solo uno degli scienziati che ritengono che non sia mai esistito un organismo unico riconducibile al nostro microrganismo LUCA. Secondo lui, coloro che ne ipotizzarono l’esistenza, non avevano preso in considerazione il trasferimento orizzontale (per approfondimenti, leggere gli articoli 1 e 2). La teoria di Woese afferma che, agli albori della vita, la selezione naturale ancora non esisteva. Dunque, gli organismi erano liberi di trasferire tra loro il loro materiale genetico e a tassi molto alti. Si sarebbero originati in questo modo organismi e strutture cellulari sempre più complessi. Gradualmente, però, il processo di trasferimento genico si affievolì e gli individui iniziarono a differenziarsi in specie. Ciò portò allo sviluppo di caratteristiche distinte dalle quali originarono i processi di competizione e selezione che sono alla base dell’evoluzione.

Secondo questi studiosi, sarebbe impossibile che il progenitore fosse un’unica cellula o un’unica linea di organismi. Piuttosto, dovrebbe trattarsi di un insieme di cellule primitive diverse contenenti pochi geni che, in seguito al trasferimento genico orizzontale, condivisero molte delle loro capacità. In seguito, queste cellule si sarebbero differenziate nei tre domini (bacteria, archaea, eukarya).