L’eccezione che conferma la regola

Con la sua teoria endosimbiontica, la scienziata Lynn Margulis ci racconta di una delle cooperazioni più riuscite della storia: circa 1.5 miliardi di anni fa, cellule capaci di usare l’ossigeno per ottenere più energia dal cibo hanno cominciato a prestare i loro servizi a cellule più grandi che avevano trovato un modo per meglio proteggere il loro materiale genetico, trasferendolo dentro il nucleo. Erano nate le cellule eucariote, i mattoncini costituenti di animali e piante!

A riprova della teoria di Margulis, i nostri mitocondri, gli organelli che producono energia, contengono del DNA molto simile a quello di alcuni batteri antichissimi mangia-ossigeno. Spostando sempre più pezzetti di DNA nel nucleo della cellula ospite, i batteri mangia-ossigeno hanno perso lo status di batteri (oggi non potrebbero più vivere da soli) per diventare a tutti gli effetti i nostri mitocondri.

Per via della teoria di Margulis, studiando biologia a scuola, ci è stato detto che tutti gli animali effettuano la respirazione cellulare, ovvero usano mitocondri e ossigeno per produrre più energia a parità di cibo: senza respirazione cellulare si ricavano 2 unità di energia (ATP) da 1 zucchero (glucosio), ma grazie ai mitocondri c’è un guadagno aggiuntivo di 32 ATP

I batteri non hanno i mitocondri (le cellule senza organelli si chiamano procariote) e quindi non possono fare la respirazione cellulare. Questo vuol dire che, a parità di cibo ingerito, producono meno energia delle cellule eucariote (animali e piante). Più precisamente, da 1 mole di glucosio (una quantità precisa di zucchero) i batteri guadagnano 2 ATP, mentre gli eucarioti ne guadagnano 34! (Immagine generata su biorender).

Di certo nessuno vorrebbe rinunciare ad un simile vantaggio!

Ma se credevamo di aver trovato una certezza nella scienza, ecco che… BAM! la natura ci sbatte in faccia la prova che le certezze, come la perfezione, non sono di questo mondo. E lo fa con umorismo, tramite un messaggero piccolo ed insignificante considerato addirittura una scocciatura perché danneggia la pesca: Henneguya salminicola.

Ecco Henneguya salminicola! Il gruppetto di sinistra ci guarda dalla prima pagina della rivista scientifica PNAS, mentre a destra vediamo un primo piano dell’animaletto (da Yalahomi et al. 2020).

Gli Scienziatimatti di oggi hanno scoperto che questo piccolo parassita dei salmoni è ad oggi l’unico animale conosciuto che non fa la respirazione cellulare!

H. salminicola è una parente delle meduse e, come tutti gli animali, è pluricellulare (fatto di tante cellule) e le sue cellule possiedono mitocondri. I mitocondi di H. salminicola però, non contengono più DNA e sembrano inattivi! 

H. salminicola vive in ambienti senza ossigeno (anaerobi), quindi per lei avere mitocondri funzionanti non era più vantaggioso. Ogni cosa ha un costo e, se ad un certo punto non c’è più un vantaggio a pagare, ecco che l’evoluzione favorisce quegli organismi che tagliano la spesa. 

Le immagini blu sono ottenute con un colorante che si attacca al DNA. Le grosse palle blu sono i nuclei degli animaletti, dove si trova la maggior parte del DNA. Nell’imagine di sinistra però ci sono anche dei puntini più piccoli indicati da frecce bianche. Quello è il DNA mitocondriale di Myxobolus squamalis, un altro parassita dei salmoni simile a Henneguya salminicola. H. Salminicola invece non ha DNA al di fuori del nucleo e ci verrebbe quasi il dubbio che non abbia proprio mitocondri! Ma gli scienziatimatti hanno usato un microscopio elettronico (immagini in bianco e nero, in basso) per osservare meglio l’interno del parassita ed hanno trovato dei mitocondri in tutto e per tutto simili a quelli di M. squamalis. Vediamo bene le creste mitocondriali (indicate da frecce rosse), pieghe di membrana utilizzate dagli esperti microscopisti per identificare i mitocondri (da Yalahomi et al. 2020).

Altri animali che vivono senza ossigeno hanno scelto di modificare i loro mitocondri per continuare a fare la respirazione cellulare servendosi di altri gas (l’idrogeno per esempio), ma H. salminicola è il primo animale che ha avuto il coraggio di staccare la spina ai mitocondri. Non solo! Alcuni pezzetti di DNA che i mitocondri di H. salminicola avevano spedito nel nucleo, sono diventati pseudogeni, cioè geni spenti, che non vengono più utilizzati. Il prossimo passo dell’evoluzione di questo sorprendente organismo potrebbe essere la perdita definitiva di questi organelli!

Come fa H. salminicola a ricavare energia dal cibo? Ha sviluppato un metabolismo alternativo e nuovo o imita i batteri e si accontenta di processi meno efficienti che producono poca energia? 

È possibile che i mitocondri di questo fantasioso animale adesso servano a qualcos’altro? 

Queste ed altre domande non aspettano altro che degli Scienziatimatti curiosi di trovare nuove risposte!


Qui il link alla ricerca originale: https://www.pnas.org/content/117/10/5358

Oh noo! L’articolo è a pagamento! sci-hub potrebbe salvarci, ma è illegale!(?) 🙂

11 pensieri su “L’eccezione che conferma la regola

    1. Ahah, per quanto riguarda H. salminicola possiamo stare tranquilli: non infetta l’uomo, ma solo i pesci.

      Poi nel pesce crudo si possono nascondere altre insidie, ma il sushi è così buono!! 🙂

      Se proprio dobbiamo fare un compromesso, allora diciamo che magari i sushi à la carte (quelli che non sono all-you-can-eat) sono tendenzialmente più sicuri perché puntano un po’ di più sulla qualità.

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  1. Domanda N° 1: che cosa indicano i numeri nel disegno-schema iniziale?
    Domanda N°2: il fatto che i mitocondri di M siano più ordinati e quelli di H più sbarazzini è casuale o c’è un motivo?
    Domanda N° 3: si sa quale sia, concretamente, il vantaggio del perdere il DNA quando non serve? A noi l’appendice non solo non serve, ma la sua presenza può anche fare danni, ciononostante l’evoluzione non ce l’ha fatta perdere.
    Domanda N° 4: questa ricerca, oltre ad averci fornito la rassicurante certezza che nella scienza non esistono certezze (non è ironico: sono assolutamente convinta che sia una scoperta sia importante che rassicurante), ha unicamente valore speculativo o anche finalità concrete?

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    1. Wow, un sacco di domande tutte interessanti. Mi ci è voluto un po’ per trovare materiale a supporto di alcune risposte.

      1 – lo schema iniziale (parli dell’immagine di “copertina”, giusto?) è un albero filogenetico che connette gli organismi al loro antenato ancestrale comune. I numeri rappresentano il grado di sicurezza che abbiamo ad ogni diramazione dell’albero (da 0 a 1, con 1 che è il massimo) perché anche gli alberi filogenetici possono essere costruiti in più modi e, collegandosi un po’ a quello che dici nel punto 4, non c’è un solo modo giusto di costruirli.

      2 – Cosa intendi per mitocondri più ordinati o sbarazzini? Purtroppo non sono esperto di microscopia elettronica, ma le due immagini mi sembrano paragonabili nel limite biologico del termine. Le immagini di microscopia elettronica sono in effetti piuttosto difficili da interpretare perché mostrano una fetta sottilissima di un oggetto tridimensionale del quale non si conosce né la forma né l’orientamento originale. Se per esempio taglio una cannuccia con un taglio perpendicolare alla sua lunghezza e poi osservo la sezione ottenuta vedrò una circonferenza perfetta. Ma se il taglio è un po’ storto, diciamo a 45°, allora vedrò un ellisse. E se la cannuccia fosse sdraiata ed io la tagliassi per lungo, allora vedrei due linee parallele. In tutti e tre i casi ho a che fare con la stessa struttura nonostante io abbia immagini in 2D molto diverse fra di loro. Per me è un mistero (affascinantissimo) come facciano gli esperti di microscopia elettronica a capire che quella che hanno davati agli occhi è sempre una cannuccia.

      3 – Anche a me era venuta subito in mente l’appendice come paragone! Poi però, dopo un rapido consulto con l’amico medico, è venuto fuori che l’appendice non è proprio un organo vestigiale, ma ha funzioni collegate al sistema immunitario dell’intestino e sembra che sia fonte di varietà per il microbioma intestinale. Di certo è un organo altamente imperfetto, quindi probabilmente è soggetta ad una pressione evolutiva più forte rispetto ad altri organi. Comunque identificare un organo vestigiale non è così facile come potrebbe sembrare a prima vista perché l’evoluzione è molto fantasiosa e un organo che magari ha perso la sua funzione originaria magari adesso ne ha acquisita un’altra totalmente inaspettata ed altrettanto utile (un articolo che approfondisce questo aspetto: https://scholar.google.com/scholar?cluster=1090095749180215780&hl=en&as_sdt=0,5#d=gs_qabs&u=%23p%3D5NEM7U7MIA8J). I denti del giudizio sembrano essere dei veri organi vestigiali ed infatti ci sono persone che non li hanno tutti, segno che l’evoluzione è sempre all’opera.
      Per concludere la risposta, è possibile calcolare quanto costa portarsi dietro del DNA durante i processi di divisione cellulare. Il costo si misura in termini di adattabilità di un organismo al suo ambiente e per ogni kilobase inutile di DNA (1000 nucleotidi) si perde circa lo 0.15% di adattabilità (https://doi.org/10.1093/molbev/msu111).
      La tua domanda nr. 3 è stata la domanda più intrigante che mi sono posto durante la scrittura del post (fase che è durata un paio di mesi!) e che mi ha fatto scoprire un sacco di cose.

      4 – Bellissimo che non ci siano certezze! Bisognerebbe far passare questo concetto nelle scuole per avvicinare le persone alla scienza!
      Per ora questo articolo rientra appieno nella ricerca di base ed è di valore puramente speculativo. Ma la scoperta che un animale abbia rinunciato alla respirazione cellulare per fare quello che sembra essere un passo indietro nell’evoluzione è una cosa allucinante. È talmente allucinante che mi è venuta voglia di menzionarla alla nostra ultima riunione di laboratorio e ne abbiamo discusso brevemente, pur non essendo dei biologi evoluzionisti. Possibile che un animale decida di perdere 32 ATP? Secondo me è fortemente probabile che i mitocondri di H. salminicola si siano riadattati a funzionare in un altro modo. Per esempio Giardia, un parassita che ci provoca diarrea, ha convertito i suoi mitocondri in idrogenosomi e quindi fa lo stesso la respirazione cellulare, ma usa l’idrogeno invece dell’ossigeno. Scoprire modi alternativi di fare la respirazione cellulare può avere risvolti pratici molto importanti: può aiutare nella ricerca di nuove forme di vita di altri pianeti (ok, questo non è un risvolto molto pratico, ma è molto fico) e può servire per rendere più efficienti processi industriali che usano microrganismi. Per esempio certi processi di trattamento rifiuti in cui dei microrganismi precisi scompongono i rifiuti in materiale più semplice da trattare. Spesso in questi processi si consuma rapidamente ossigeno e c’è il rischio di ridurre drasticamente la resa se non so fa attenzione ad areare bene il tutto. Areare rifiuti produce aerosol che si disperde nell’ambiente. Se venisse fuori che questi microorganismi possono imparare ad usare per esempio l’azoto al posto dell’ossigeno, si potrebbe aggiungere azoto alla reazione per renderla di nuovo più efficiente senza bisogno di areare il tutto!

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      1. Ci hai perso davvero un bel po’ di tempo per rispondermi! Grazie.
        L’esempio della cannuccia è perfetto, adesso è chiaro. Per quanto riguarda gli organi vestigiali, quelli senza proprio più nessuna funzione, per qualcuno a me viene da pensare al contenuto della scatola cranica, ma si sa che io sono una persona molto cattiva. Quanto al fatto che la ricerca di forme di vita su altri pianeti non abbia risvolti pratici, io aggiungerei un adesso: guarda quante scoperte sembravano inutili nel momento in cui sono state fatte, e poi sono diventate addirittura fondamentali.
        E grazie ancora per tutto il tempo che mi dedichi.

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      2. Dialogare con te è un piacere! Mi stupisce sempre vedere che anche persone provenienti da percorsi diversi arriviamo a porsi le stesse domande di fronte ad un problema scientifico. È la dimostrazione che il ragionamento conta molto di più della conoscenza!

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