La tomografia crioelettronica ha fornito informazioni sulla struttura cellulare di un archaeon Asgard appena coltivato illustrato qui. Notevoli sono gli estesi filamenti del citoscheletro di actina (arancione) nei corpi cellulari e le sporgenze cellulari, nonché l’involucro cellulare unico (blu). Crediti: © Margot Riggi, The Animation Lab, University of Utah
I ricercatori dell’Università di Vienna e dell’ETH di Zurigo coltivano il microrganismo “anello mancante”.
Cosa ha portato alla nascita di organismi complessi sulla Terra? È un’importante domanda senza risposta in biologia. I ricercatori del team di Christa Schleper al Università di Vienna e la squadra di Martin Pilhofer a ETH Zurigo hanno fatto un passo verso la sua risoluzione. Gli scienziati sono riusciti a coltivare un archeologo speciale ea caratterizzarlo in modo più preciso utilizzando metodi microscopici.
Questo membro degli archei di Asgard mostra caratteristiche cellulari uniche e può rappresentare un “anello mancante” evolutivo per forme di vita più complesse come animali e piante. Lo studio è stato recentemente pubblicato sulla rivista Natura.
Tutte le forme di vita sulla terra sono divise in tre domini principali: eucarioti, batteri e archaea. Gli eucarioti comprendono i gruppi di animali, piante e funghi. Le loro cellule sono generalmente molto più grandi e, a prima vista, più complesse delle cellule dei batteri e degli archei. Il materiale genetico degli eucarioti, ad esempio, è racchiuso in un nucleo cellulare e le cellule hanno anche un gran numero di altri compartimenti. Anche la forma cellulare e il trasporto all’interno della cellula eucariotica si basano su un esteso citoscheletro. Ma come è avvenuto il salto evolutivo verso cellule eucariotiche così complesse?
Una delle teorie evoluzionistiche attualmente più popolari presuppone che gli eucarioti (inclusi animali, piante e funghi) siano nati dalla fusione di un archeon Asgard con un batterio. Crediti: © Florian Wollweber, ETH Zurigo
La maggior parte dei modelli attuali presuppone che gli archei ei batteri abbiano svolto un ruolo centrale nell’evoluzione degli eucarioti. Si ritiene che una cellula primordiale eucariotica si sia evoluta da una stretta simbiosi tra archaea e batteri circa due miliardi di anni fa. Nel 2015 studi genomici su campioni ambientali di acque profonde hanno scoperto il gruppo dei cosiddetti Asgard archaea, che nell’albero della vita rappresentano i parenti più stretti degli eucarioti. Le prime immagini delle cellule di Asgard sono state pubblicate nel 2020 da colture di arricchimento da un gruppo giapponese.
Asgard archaea coltivato da sedimenti marini
Il gruppo di lavoro di Christa Schleper all’Università di Vienna è ora riuscito per la prima volta a coltivare un rappresentante di questo gruppo in concentrazioni più elevate. Proviene da sedimenti marini sulla costa di Pirano, in Slovenia, ma è anche abitante di Vienna, ad esempio nei sedimenti spondali del Danubio. A causa della sua crescita ad alta densità cellulare, questo rappresentante può essere studiato particolarmente bene. “È stato molto complicato e laborioso ottenere questo organismo estremamente sensibile in una coltura stabile in laboratorio”, riferisce Thiago Rodrigues-Oliveira, postdoc nel gruppo di lavoro Archaea dell’Università di Vienna e uno dei primi autori dello studio.
Il co-primo autore Rafael Ponce campiona i sedimenti marini nel canale Seca a Pirano, in Slovenia. Crediti: © Thiago Rodrigues-Oliveira, Univ. Vienna
Gli archaea di Asgard hanno una forma cellulare complessa con un esteso citoscheletro
Il notevole successo del gruppo viennese nel coltivare un rappresentante Asgard altamente arricchito ha finalmente consentito un esame più dettagliato delle cellule mediante microscopia. I ricercatori dell’ETH del gruppo di Martin Pilhofer hanno utilizzato un moderno microscopio crioelettronico per scattare foto di cellule congelate. «Questo metodo consente una visione tridimensionale delle strutture cellulari interne», spiega Pilhofer.
Micrografia elettronica a scansione di una cellula di Lokiarchaeum ossiferum che mostra le sporgenze cellulari lunghe e complesse. Crediti: © Thiago Rodrigues-Oliveira, Univ. Vienna
“Le cellule sono costituite da corpi cellulari rotondi con estensioni cellulari sottili, a volte molto lunghe. Queste strutture simili a tentacoli a volte sembrano persino collegare diversi corpi cellulari tra loro”, afferma Florian Wollweber, che ha trascorso mesi a rintracciare le cellule al microscopio. Le cellule contengono anche una vasta rete di filamenti di actina ritenuti unici per le cellule eucariotiche. Ciò suggerisce che strutture citoscheletriche estese siano sorte negli archaea prima della comparsa dei primi eucarioti e alimenta le teorie evolutive attorno a questo evento importante e spettacolare nella storia della vita.
Intuizioni future attraverso il nuovo organismo modello
«Il nostro nuovo organismo, chiamato Lokiarchaeum ossiferum, ha un grande potenziale per fornire ulteriori approfondimenti rivoluzionari sulla prima evoluzione degli eucarioti», commenta la microbiologa Christa Schleper. “Ci sono voluti sei lunghi anni per ottenere una cultura stabile e altamente arricchita, ma ora possiamo utilizzare questa esperienza per eseguire molti studi biochimici e coltivare anche altri archaea Asgard”. Inoltre, gli scienziati possono ora utilizzare i nuovi metodi di imaging sviluppati all’ETH per studiare, ad esempio, le strette interazioni tra Asgard archaea ei loro partner batterici. Anche i processi biologici cellulari di base come la divisione cellulare potranno essere studiati in futuro per far luce sull’origine evolutiva di questi meccanismi negli eucarioti.
Riferimento: “Actin cytoskeleton and complex cell architecture in an Asgard archaeon” di Thiago Rodrigues-Oliveira, Florian Wollweber, Rafael I. Ponce-Toledo, Jingwei Xu, Simon K.-MR Rittmann, Andreas Klingl, Martin Pilhofer e Christa Schleper, 21 dicembre 2022, Natura.
DOI: 10.1038/s41586-022-05550-e
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