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Exploring the mechanisms underlying the evolution of plastids through the study of an unusual nitrogen-fixing symbiosis

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Svelare l’evoluzione di una simbiosi marina microscopica

Sebbene le simbiosi siano note per essere motori naturali dell’innovazione, i meccanismi alla base di questi rapporti sono sfuggenti. Una simbiosi oceanica recentemente scoperta tra il cianobatterio unicellulare e l’alga eucariota rivela indizi sul suo passato e sul suo possibile futuro in termini evolutivi.

Ricerca di base

Secondo Lynn Margulis, la simbiosi è la più potente forza evolutiva, in quanto costituisce l’origine di tutte le attuali forme di vita complessa presenti sulla Terra. Di conseguenza, la comprensione delle modalità con cui questi rapporti vengono instaurati e sviluppati è essenziale per capire la natura e la vita stessa. Il progetto UCYN2PLAST, finanziato dall’UE, ha concentrato l’attenzione su un partenariato simbiotico scoperto solamente un decennio fa tra un cianobatterio unicellulare, noto come UCYN-A, e una microalga eucariota monocellulare, chiamata prymnesiophyte. «L’interazione tra le due specie è così intensa che sembrano fondersi in una unica», spiega Francisco M. Cornejo Castillo, borsista di ricerca. «Si tratta di un raro esempio dell’era odierna di una simbiosi che si sta evolvendo in qualcos’altro, in questo caso un plastidio.» I plastidi sono organelli legati alla membrana presenti in tutte le cellule eucariote, tra cui quelle vegetali e animali, dove svolgono funzioni metaboliche di primaria importanza. Il progetto ha raggiunto una comprensione più dettagliata di quella precedentemente disponibile in merito alla simbiosi di UCYN-A. Esso ha caratterizzato la diversità e la distribuzione oceanica dell’organismo, oltre ai meccanismi coinvolti nella comunicazione tra i due partner e le sostanze chimiche scambiate.

Visualizzare la simbiosi

La borsa di ricerca del programma di azioni Marie Skłodowska-Curie ha consentito a Cornejo di trascorrere circa tre anni presso l’Università della California a Santa Cruz, lavorando nel laboratorio di Jonathan Zehr, colui che ha scoperto la simbiosi di UCYN-A. Lì il ricercatore ha concentrato l’attenzione su diversi aspetti della simbiosi di UCYN-A, applicando una serie di tecniche computazionali e laboratoriali alla sua ecologia e fisiologia. Tra queste figuravano genomica a singola cellula, microscopia a epifluorescenza, PCR quantitativo e sequenziamento del DNA ad alte prestazioni. Combinando queste metodologie, il team ha visualizzato la simbiosi di UCYN-A in campioni naturali raccolti da diverse regioni oceaniche. Un obiettivo chiave era quello di rivelare maggiori indizi sulle sostanze chimiche e i canali coinvolti nella comunicazione tra organismo ospite e simbionte. Avvalendosi di sonde appositamente concepite, il team ha visualizzato l’espressione proteica sincronizzata tra i partner simbiotici, il che ha suggerito che fosse in atto una «conversazione» chimica. «Si è davvero trattato di un successo a livello tecnico. Non dimenticherò mai l’entusiasmo provato la prima volta in cui sono stato in grado di ascoltare efficacemente questa “conversazione”», sottolinea Cornejo.

Un risultato chiave in relazione allo scambio di nutrienti

Precedenti esperimenti effettuati dal laboratorio Zehr avevano messo in evidenza che l’organismo ospite microalgale di UCYN-A non dimostrava di avere molto appetito per l’assorbimento di sostanze nutritive, in particolare nitrato e ammonio, a differenza di quello tipicamente posseduto dalle alghe. Nel corso di UCYN2PLAST, il team ha scoperto che le proteine coinvolte nell’assorbimento di sostanze nutritive ambientali sono localizzate in una parte diversa della cellula rispetto ad altre specie algali. Queste proteine sono orientate verso UCYN-A, che si trova all’interno della cellula algale, anziché verso l’esterno della cellula, come accade più di frequente per le altre specie di alghe. «Sembra che l’organismo ospite microalgale sappia che UCYN-A può fornire questi nutrienti, per cui non ha bisogno di avere le proprie proteine orientate come le altre alghe, in competizione con altri microrganismi», aggiunge Cornejo.

Trarre vantaggio dal laboratorio della natura

UCYN-A è privo delle tipiche funzionalità di cui sono dotati altri processi cianobatterici, come la fotosintesi ossigenata o la fissazione della CO2, per cui ottiene queste sostanze a partire dalla materia organica fornita dall’organismo algale ospite. A sua volta, UCYN-A offre all’alga una fonte di azoto. Dato che la produttività delle alghe fa affidamento sull’azoto, è stato suggerito che questo rapporto simbiotico potrebbe infine generare un plastidio azotofissatore in un processo simile all’origine dei cloroplasti. «Ulteriori ricerche getteranno nuova luce sugli antichi processi simbiotici, altrimenti pressoché impossibili da esplorare. Per di più, poiché la simbiosi fornisce una fonte interminabile di innovazione biologica, dispone di potenziale per le applicazioni biotecnologiche. Nel futuro è possibile che UCYN-A ci aiuti a ingegnerizzare plastidi per le piante, fungendo da fertilizzatore ecologico», afferma Cornejo.

Parole chiave

UCYN2PLAST, simbiosi, cellule eucariote, plastidio, UCYN-A, proteina, alga, cianobatterio, genomica, DNA, simbiotico, oceano

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