In un laboratorio del Politecnico Federale di Zurigo, un team di ricercatori ha appena realizzato l’impensabile: ricostruire e osservare dal vivo uno dei processi più enigmatici dell’evoluzione della vita sulla Terra.
Per la prima volta in assoluto, la formazione di una relazione endosimbiotica (un’intima associazione tra due organismi in cui l’uno vive all’interno dell’altro, formando un’unità funzionale) tra due organismi unicellulari è stato provocato e studiato da vicino. Un’alleanza microscopica che ha permesso alla vita di emergere sul nostro pianeta. Per ulteriori informazioni su questo lavoro è possibile consultare la pubblicazione del team, pubblicata sulla rivista Natura il 2 ottobre 2024.
Una pompa da bicicletta, un microscopio e una scoperta rivoluzionaria
La storia di questa scoperta inizia con una sfida apparentemente insormontabile: come introdurre un batterio in una cellula fungina protetta da un muro quasi impenetrabile? Di fronte a questo ostacolo, Gabriel Giger, dottorando al Politecnico federale di Zurigo, ha sviluppato una metodologia a dir poco originale.
Il suo team ha prima sviluppato uno specifico cocktail di enzimi per ammorbidire la parete cellularehanno poi utilizzato un microscopio a forza atomica dotato di tecnologia FluidFM; uno strumento ad alta precisione che consente di manipolare e analizzare i campioni su scala nanometrica; trasformato in una siringa microscopica.
Di fronte alla pressione intracellulare che espelleva sistematicamente il citoplasma (contenuto liquido della cellula fungina) durante i tentativi di iniezione, Giger ha avuto l’idea di utilizzare… una pompa da bicicletta. Sì, hai letto bene. Questa soluzione intelligente ha permesso di generare una pressione tre volte superiore a quella dei pneumatici delle automobili, sufficiente a forzare il passaggio dei batteri attraverso la parete cellulare.
Thomas Richards, un biologo evoluzionista dell’Università di Oxford, sebbene non coinvolto in questo studio, non ha potuto fare a meno di commentare questa intelligente deviazione di un oggetto quotidiano. « Adattare tale tecnologia per iniettare batteri in un fungo è francamente impressionante ».
Il patto tra un fungo e un batterio
Il team ha scelto come modello di studio un’associazione naturale tra il fungo Rhizopus microsporo e i batteri Mycetohabitans rhizoxinicauna coppia responsabile della malattia da avvizzimento delle piante di riso. Questa scelta non è stata una coincidenza : in natura questi due organismi hanno sviluppato un rapporto così stretto che il fungo non può più riprodursi senza il suo partner batterico.
I primi test con i famigerati batteri Escherichia coli (che provocò un falso scandalo durante le Olimpiadi del 2024) ha rivelato la complessità del business. Questi batteri, una volta introdotti, si moltiplicavano troppo velocemente, innescando una risposta immunitaria fatale dal fungo.
D’altra parte, M. rhizoxinica ha dimostrato una notevole capacità di trovare il giusto equilibrio. Si riproduceva a un ritmo compatibile con il suo ospite, evitando l’attivazione delle difese immunitarie e mantenendo una popolazione vitale. I batteri “buoni” (Mycetohabitans rhizoxinica in questo caso) sa quindi convivere con il fungo senza ucciderloa differenza di E. coli.
I ricercatori sono riusciti anche a osservare come i batteri colonizzassero gradualmente le spore fungine, garantendone la trasmissione alle generazioni successive. Questa capacità di integrarsi nel ciclo riproduttivo dell’ospite costituisce un passo fondamentale nello stabilire una relazione endosimbiotica duratura.
Questo tipo di relazione ha ha svolto un ruolo assolutamente indispensabile nello sviluppo della vita sulla Terra, a diversi livelli. Si ritiene che le cellule eucariotiche, che costituiscono tutti gli organismi multicellulari (animali, piante e funghi), derivino dall’endosimbiosi. I batteri erano circondati da altre cellule, stabilendo una relazione simbiotica. Nel corso del tempo, questi batteri si sono trasformati in organelli cellulari essenziali: mitocondri (per la respirazione cellulare) e cloroplasti (per la fotosintesi).
L’acquisizione di questi organelli ha aperto nuove vie metaboliche, consentendo agli organismi sfruttare nuove nicchie ecologiche e diversificare. Ad esempio, la comparsa della fotosintesi grazie ai cloroplasti ha trasformato radicalmente la composizione dell’atmosfera terrestre arricchendo l’aria di ossigeno, cosa che ha permesso la comparsa di forme di vita più complesse. Successivamente l’endosimbiosi permise agli organismi di acquisire nuove funzioni, di specializzarsi e di formare organismi multicellulari ancora più complessi.
Simbiosi cellulare, motore di innovazione?
Nel corso di dieci generazioni successive, i ricercatori hanno documentato un eottimo adattamento reciproco tra i due organismi. Il genoma del fungo ha acquisito rapidamente mutazioni che facilitano la coesistenza con il suo partner batterico, mentre i batteri hanno ottimizzato la loro integrazione nelle spore fungine.
Julia Vorholt, microbiologa del Politecnico federale di Zurigo spiega che i partner diventano letteralmente “ dipendenti l’uno dall’altro “. Questa interdipendenza si manifesta sia a livello metabolico che genetico, creando infine una nuova unità perfettamente funzionante.
I ricercatori stanno ora valutando la possibilità di sviluppare cellule sintetiche con endosimbionti, organismi che vivono all’interno di un’altra cellula con capacità specifiche, che potrebbero aiutare a sviluppare nuovi approcci metodologici in biotecnologia. Le potenziali applicazioni potrebbero variare da la progettazione di nuovi farmaci per il disinquinamento mirato degli ecosistemi. Anche se è passato un po’ sotto il radar, questo studio rappresenta un passo da gigante nella nostra comprensione del mondo vivente e soprattutto nelle nostre competenze nell’ingegneria cellulare.
- Ricercatori svizzeri hanno ricreato una relazione endosimbiotica tra un batterio e un fungo, essenziale per l’evoluzione degli organismi complessi.
- Un metodo innovativo, che combina un microscopio di precisione e una pompa da bicicletta, ha permesso di introdurre i batteri nel fungo nonostante una barriera cellulare resistente.
- Questa scoperta potrebbe portare alla creazione di cellule sintetiche capaci di nuove funzioni.
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