I batteri fotosintetici hanno svolto un ruolo fondamentale nel plasmare la Terra come la conosciamo. Tra questi, i cianobatteri si distinguono per la produzione dell’ossigeno che ha riempito la nostra atmosfera e ha permesso l’emergere della vita complessa. Ora, gli scienziati dell’Istituto di Scienza e Tecnologia Austriaco (ISTA) hanno scoperto un sorprendente meccanismo di funzionamento di questi organismi. Un sistema biologico che si riteneva servisse a separare il DNA si è invece evoluto per controllare la forma delle cellule dei cianobatteri. I risultati, pubblicati su Science , offrono nuove prospettive su come i sistemi proteici cambiano nel tempo e su come si è sviluppata la vita multicellulare in questi batteri ecologicamente importanti.
“I cianobatteri sono essenzialmente i pionieri della fotosintesi ossigenica”, afferma Benjamin Springstein, ricercatore post-dottorato nel gruppo Loose presso l’Istituto di Scienza e Tecnologia Austriaco (ISTA).
“Sono responsabili del Grande Evento di Ossigenazione, avvenuto circa 2,5 miliardi di anni fa, quando l’ossigeno si accumulò nell’atmosfera rendendo possibile la vita aerobica. Senza di loro, si può affermare con certezza che nessuno di noi sarebbe qui oggi.”
Ancora oggi, i cianobatteri rimangono essenziali per la vita sulla Terra. Contribuiscono in modo significativo alla biomassa globale e svolgono un ruolo centrale nei cicli del carbonio e dell’azoto. Questi organismi sono altamente adattabili e vivono in condizioni estreme, dalle sorgenti termali all’Artico, così come su superfici come tetti e muri nelle città. Una specie in particolare, Anabaena sp. PCC 7120 (o semplicemente Anabaena), è stata studiata per oltre trent’anni e funge da modello per la comprensione dei cianobatteri multicellulari.
L’evoluzione trasforma il sistema del DNA in una struttura che dà forma alla cellula.
Springstein ha lavorato con il gruppo del professor Martin Loose, insieme a collaboratori dell’ISTA, dell’Institut Pasteur de Montevideo (Uruguay), dell’Università di Kiel (Germania) e dell’Università di Zurigo (Svizzera). Insieme, hanno scoperto che Anabaena, e probabilmente altri cianobatteri multicellulari, hanno subito un importante cambiamento evolutivo. Un antico sistema, un tempo utilizzato per separare il DNA durante la divisione cellulare, è stato riadattato in una struttura simile al citoscheletro che contribuisce a determinare la forma della cellula.
Il DNA nei batteri: una spiegazione
Come tutti i batteri, l’Anabaena si riproduce dividendosi in nuove cellule. Questo processo dipende dalla copiatura e distribuzione accurata del DNA, in modo che ogni nuova cellula riceva le informazioni genetiche necessarie alla sua sopravvivenza. Il DNA è strettamente impacchettato nei cromosomi, come un filo avvolto attorno a una bobina, ed è spesso presente in più copie che devono essere trasmesse in modo affidabile durante la divisione cellulare.
Il DNA batterico si presenta in due forme principali. I cromosomi contengono i geni essenziali necessari alla sopravvivenza, mentre i plasmidi trasportano geni aggiuntivi che spesso non sono essenziali. I plasmidi possono spostarsi tra i batteri, consentendo una rapida diffusione dei tratti e favorendo un rapido adattamento.
Un sistema di segregazione del DNA con un nuovo ruolo
Springstein studia l’Anabaena dal 2014, esplorandone la biologia e l’evoluzione. Durante la pandemia di COVID-19, quando il lavoro di laboratorio si è interrotto, ha dedicato del tempo alla revisione della letteratura scientifica e ha notato qualcosa di inaspettato.
“Ho fatto un’osservazione fortuita”, ricorda.
Scoprì che Anabaena e alcuni cianobatteri affini contengono un sistema noto come ParMR codificato all’interno dei loro cromosomi. Tradizionalmente, questo sistema è collegato alla segregazione dei plasmidi ed era stato trovato solo sui plasmidi, che sono elementi genetici mobili. Questa insolita collocazione lo portò a sospettare che il sistema potesse essersi adattato per separare i cromosomi.
Dopo essere entrato a far parte dell’ISTA come IST-Bridge Fellow, Springstein si è proposto di mettere alla prova questa idea. I suoi esperimenti hanno rivelato qualcosa di molto diverso. Un componente, ParR, non si lega più al DNA. Si attacca invece alle membrane lipidiche, in particolare alla membrana interna della cellula. Nel frattempo, ParM non forma strutture nel citoplasma per spostare il DNA. Crea invece reti di filamenti appena sotto la membrana interna, formando uno strato di polimeri proteici che assomiglia alla corteccia cellulare.
Anziché agire come un tipico sistema di segregazione del DNA che forma strutture fusiformi all’interno della cellula, questo sistema opera a livello della membrana e sembra organizzare la struttura cellulare.
Filamenti che si comportano come uno scheletro cellulare
Per comprendere meglio il funzionamento di questo sistema, i ricercatori lo hanno ricreato al di fuori delle cellule viventi utilizzando componenti purificati. In questi esperimenti di ricostituzione in vitro, hanno osservato che i filamenti mostrano un’instabilità dinamica. Crescono e poi collassano rapidamente, un comportamento simile a quello dei microtubuli nelle cellule più complesse.
Per approfondire la questione, il team ha collaborato con il professor Florian Schur dell’ISTA e il suo dottorando Manjunath Javoor. Utilizzando la microscopia crioelettronica, che permette agli scienziati di osservare le strutture molecolari con grande dettaglio, hanno esaminato come vengono formati questi filamenti. Hanno scoperto che, a differenza dei filamenti polari formati da sistemi simili in altri batteri, i filamenti di Anabaena sono bipolari, ovvero possono crescere e accorciarsi da entrambe le estremità.
La perdita del sistema altera la forma della cellula
La vera funzione di questo sistema è diventata chiara quando è stato rimosso dalle cellule viventi.
“Le cellule prive di questo sistema hanno perso la loro normale forma rettangolare, diventando invece rotonde e gonfie”, spiega Springstein.
Questo tipo di cambiamenti si osservano tipicamente quando i geni responsabili del mantenimento della forma cellulare vengono alterati in altri batteri. Ciò suggerisce fortemente che il ruolo principale del sistema sia quello di controllare la struttura cellulare piuttosto che gestire la distribuzione del DNA.
Considerata la sua nuova funzione e la sua localizzazione all’interno della cellula, i ricercatori hanno rinominato il sistema “CorMR”.
Come l’evoluzione ha riutilizzato un sistema antico
I cianobatteri multicellulari si sono evoluti gradualmente da antenati unicellulari, acquisendo complessità nel corso del tempo. L’analisi bioinformatica condotta dalla collaboratrice Daniela Megrian dell’Institut Pasteur di Montevideo, in Uruguay, ha contribuito a chiarire come si è formato il sistema CorMR.
La trasformazione non è avvenuta tutta in una volta. Piuttosto, si è verificata attraverso una sequenza di cambiamenti. In primo luogo, il sistema è passato da un plasmide a un cromosoma. Successivamente, i suoi componenti hanno cambiato dimensione e struttura. Poi, ha sviluppato la capacità di legarsi alle membrane cellulari. Infine, è passato sotto il controllo di un ulteriore sistema proteico.
Nel loro insieme, questi passaggi hanno trasformato un antico meccanismo di segregazione del DNA in un sistema che modella la cellula stessa, offrendo un esempio lampante di come l’evoluzione possa conferire a vecchi strumenti biologici scopi completamente nuovi.
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