I tardigradi hanno recuperato geni da specie estinte per diventare (quasi) indistruttibili

Immaginiamo un piccolissimo organismo presente ovunque sul nostro pianeta che ci circonda e che porta con sé una memoria genetica perduta. I tardigradi sono invertebrati che misurano al massimo da 0,2 a 1,2 millimetri che assomigliano a mini cuccioli di orso con quattro paia di zampe, muscoli, neuroni e un microbiota. Possono essere trovati ovunque sul nostro pianeta, dai fondali oceanici alla vetta dell’Himalaya.

I tardigradi sono chiamati anche orsi d’acqua, perché vivono sempre in ambienti dove è presente acqua come oceani, ghiacciai, fiumi o nelle grondaie delle case, ma anche nei muschi e nei licheni sugli alberi. o rocce. Conosciamo già quasi 1.500 specie: sono i campioni della sopravvivenza del nostro pianeta e i re indiscussi di un club molto selezionato chiamato estremofili, questi organismi capaci di sopravvivere agli ambienti più estremi.

I tardigradi, infatti, sono in grado di sopportare la temperatura più bassa misurata nell’universo (-272°C) o addirittura un calore vicino a quello misurato sul pianeta Mercurio (+151°C). Riescono a sopravvivere anche a una temperatura vicina allo zero assoluto (-273,16°C), che non esiste nell’universo ma solo nei laboratori di fisica. In un recente esperimento di fisica, un individuo su tre tardigradi della specie Ramazzotius varieornatus, fotografato sotto, è stato rianimato con successo dopo l’esposizione a una temperatura vicina allo zero assoluto.

I tardigradi possono anche sopravvivere per una permanenza di dieci giorni nel vuoto dello spazio esposto direttamente ai raggi cosmici e sono diventati un modello funzionante per la ricerca astrobiologica. Per quanto riguarda le radiazioni, sappiamo che possono sopravvivere a dosi di raggi X 1.000 volte superiori a quelle mortali per l’uomo. Anche la loro resistenza a pressioni gigantesche è stata testata per diverse ore e, sorprendentemente, sopravvivono allo schiacciamento sotto un peso equivalente a quello di un edificio di… 60.000 piani.

Criptobiosi: vita sospesa

Una prima scoperta di tardigradi risale al XVIII secolo^e secolo. Dopo aver studiato presso i Gesuiti di Reggio (Calabria, Italia), il biologo e filosofo Lazzaro Spallanzani (1729-1799) pubblicò nel 1776 un primo studio su questi piccoli animali nella sua opera Opuscoli sulla fisica animale e vegetale. Dà loro il nome di tardigradi e osserva la loro capacità di riuscire a disidratarsi completamente e poi “risorgere dopo la morte” in presenza di acqua e descrivono, per la prima volta, il fenomeno della criptobiosi.

La criptobiosi è uno “stato di vita sospesa” durante il quale non sono rilevabili indicatori di vita. In questo stato, i tardigradi raccolti in Antartide furono risvegliati con successo dopo trent’anni. Altri dati hanno mostrato che i tardigradi nella criptobiosi si trovano in uno “stato di vita sospesa” ma anche “fuori dal tempo”. Infatti, il tempo trascorso in questo stato di criptobiosi non viene detratto dalla loro normale durata di vita (la vita media di una specie di tardigrado in allevamento controllato è di circa 60 giorni). In breve, che entri o meno in criptobiosi, un tardigrado non vedrà modificata la sua normale aspettativa di vita attiva. Gli anglosassoni chiamano questo fenomeno “Bella addormentata” O “Bella addormentata”indicando che un organismo smette di invecchiare finché rimane in questo stato.

Il nostro laboratorio del CNRS a Montpellier è stato il primo a osservare con successo cosa succede all’interno di una specie di tardigrado (Hypsibius exemplaris) quando entra in criptobiosi. In questo stato, questa specie si miniaturizza, perdendo il 38% del suo volume e crea una sorta di bastione visibile attorno a ciascuna delle cellule che compongono il suo corpo. Questa struttura scompare gradualmente durante la rianimazione dell’animale.

Strategie di sopravvivenza che differiscono a seconda della specie

Ma la cosa più sorprendente arriva da un recente studio del nostro laboratorio riguardante una specie imparentata con il primo (Ramazzottius varieornatus) anch’essa proveniente dai nostri allevamenti. Quando entra in criptobiosi, questa specie miniaturizza solo del 32%. Ancora più sorprendente: era impossibile osservare la presenza di questo specifico bastione di criptobiosi che circondava le cellule della specie precedente. Questi esperimenti indicano che diverse specie di tardigradi sono in grado di resistere a stress fatali per altre specie viventi, ma che lo fanno in modi diversi e utilizzando strumenti non tutti comuni.

Dal 2016, questo insieme di strumenti genetici che permettono loro di resistere agli ambienti estremi ha cominciato ad essere identificato durante il primo sequenziamento dei loro genomi. Questi strumenti interessano già gli scienziati per future applicazioni biomediche rivoluzionarie come la conservazione di farmaci e vaccini in forma disidratata o la protezione delle cellule dalle radiazioni mortali che sarebbero utili per le future missioni spaziali.

I genetisti ritengono che questi geni siano stati acquisiti dai tardigradi per consentire loro di resistere alla disidratazione, ma propongono anche che siano questi stessi strumenti genetici a consentire loro di resistere a tutti i tipi di ambienti mortali. Studiando la loro composizione genetica, gli scienziati sono stati sorpresi di osservare che quasi il 40% dei geni dei tardigradi sono sconosciuti in altre specie che vivono attualmente sul nostro pianeta.

Ma da dove provengono questi geni chiamati “geni tardigradi unici”? Una spiegazione coinvolge il meccanismo del trasferimento genico orizzontale (o HGT, per «Trasferimento genico orizzontale»). Come mostrato di seguito, un organismo vivente eredita tipicamente i geni dai suoi genitori verticalmente.

Acquisisci geni dai tuoi vicini

Nel caso del trasferimento genico orizzontale, l’organismo ha un’ulteriore opzione che è la capacità di acquisire geni dai suoi vicini e conservarli se si rivelano vantaggiosi per la sopravvivenza della sua specie. Ciò è già stato osservato in una specie di afide in cui gli individui verdi vengono mangiati dalle coccinelle mentre quelli rossi vengono parassitati dalle vespe. Un afide ha avuto la “buona idea” di acquisire il gene di un fungo mediante trasferimento genetico orizzontale e di adottare un colore giallo che lo protegge in modo molto efficace contro questi due predatori.

Più recentemente, lo studio di una nuova specie di tardigrado identificata in Cina ha rivelato che aveva acquisito il gene da una specie di batteri che gli permetteva di proteggersi dalle dosi letali di raggi X. Per questi due esempi, l’organismo responsabile di questo dono genetico è stato identificato perché è ancora vivo, ma per i geni unici dei tardigradi ciò non è possibile.

Sembrerebbe che i tardigradi, che abitano il nostro pianeta da circa 600 milioni di anni, abbiano avuto il tempo di acquisire numerosi geni tramite trasferimento orizzontale da specie ormai estinte per costituire una vera e propria biblioteca. Ciò è tanto più possibile dato che i tardigradi hanno resistito alle cinque principali estinzioni di specie viventi che il nostro pianeta ha vissuto nel corso della sua storia, la più recente delle quali ha portato via i dinosauri. Un piccolo numero di questi geni tardigradi unici sono già stati identificati e hanno ricevuto nomi bizzarri come Dsup, TDR1, CAHS, SAHS, MAHS, TDPs, LEA, Doda1 o Trid1.

Collocati in cellule umane o altri organismi di laboratorio (drosophila, batteri, lieviti, piante, ecc.), questi geni sono riusciti ad aumentare in modo spettacolare la loro resistenza a trattamenti normalmente mortali come i raggi X, gli ultravioletti o i forti ossidanti. Meglio ancora, le proteine ​​di alcuni di questi geni sono state in grado di proteggere i farmaci dalla disidratazione e consentirne così la conservazione a temperatura ambiente, rivelando così un enorme potenziale per la distribuzione dei vaccini senza la necessità di costosi congelatori.

L’uso futuro di questi geni unici dei tardigradi in campo biomedico è già oggetto di numerose domande di brevetto, che preannunciano nuove tecnologie biomediche rivoluzionarie che potrebbero presto derivare. Si va dalla protezione della pelle degli astronauti dai raggi cosmici alla possibilità di preservare dalla disidratazione medicinali, tessuti o organi in attesa di essere utilizzati.

Un “profumo di DNA”

Ma da dove provengono questi DNA che possono essere incorporati dai tardigradi? La risposta è intorno a noi. Siamo costantemente immersi in un “profumo di DNA” rilasciato da tutti gli organismi viventi che ci circondano. Questo DNA è chiamato eDNA, che sta per DNA ambientale. Un campione di terreno può consentire, dopo aver sequenziato il DNA in esso contenuto, di determinare quali specie viventi vivono in un dato luogo, anche senza averle viste. Si tratta di una tecnica molto efficace per valutare la biodiversità di un ambiente terrestre o marino. Recentemente, gli scienziati hanno identificato con successo la firma del DNA di elefanti e giraffe asiatici da campioni prelevati da una ragnatela a quasi 195 metri di distanza nello zoo di Perth in Australia.

Gli scienziati hanno immaginato un possibile scenario per spiegare come questi pezzi di eDNA possano essere trovati nelle specie di tardigradi, così come in alcuni vermi o altri invertebrati. Questi organismi condividono tutti la capacità di sopravvivere ad una disidratazione più o meno prolungata. Quando sono in criptobiosi dopo la disidratazione, osserviamo la progressiva comparsa di rotture nei loro cromosomi.

I tardigradi saranno in grado di riparare questo danno non appena si reidrateranno. L’acqua è potenzialmente in grado di trasportare frammenti di eDNA al nucleo delle cellule dove si trovano i cromosomi. La loro presenza tra i cromosomi frammentati dei tardigradi permette di ipotizzare la possibile integrazione di questi mentre sono in atto i meccanismi di riparazione.

Grazie al loro potere di catturare nuovi geni presenti nel loro ambiente, i tardigradi hanno accumulato geni con proprietà eccezionali provenienti da specie scomparse da tempo dal nostro pianeta. Questi geni tardigradi unici racchiudono forse i segreti di future rivoluzioni biomediche offrendo nuove possibilità di protezione e trasporto di farmaci e tessuti fragili, nuove protezioni per future missioni già pianificate dalle agenzie spaziali o addirittura nella dermocosmesi per combattere gli effetti dell’età.

Simon Galas è professore di genetica e biologia molecolare dell’invecchiamento presso la Facoltà di Farmacia dell’Università di Montpellier. Myriam Richaud è dottoressa in genetica e biologia molecolare dell’invecchiamento presso la Facoltà di Farmacia dell’Università di Montpellier.

Questo articolo è ripubblicato da The Conversation sotto una licenza Creative Commons. Leggi l’articolo originale.