La cellula eucariote: le origini.

La nascita della cellula eucariote rimane tutt’ora uno dei più grandi misteri della biologia. Capire come dalle prime forme di vita sulla Terra, presumibilmente molto semplici simili ai moderni procarioti, si siano originate le cellule eucarioti resta ancora poco chiaro. In mancanza di resti fossili e delle stesse condizioni ambientali, chiarire cosa sia veramente successo, anche avendo a disposizione i mezzi tecnologici moderni, resta una grande sfida.

In base ai resti fossili rinvenuti, le prime cellule comparvero circa 4 milioni di anni fa ed erano riconducibili alle attuali cellule procarioti. Erano anaerobiche ed eterotrofe e ricavavano l’energia per il proprio mantenimento attraverso processi di fermentazione. Da queste cellule in seguito a centinaia di anni di evoluzione si sarebbero formate le cellule eucarioti. Come sia accaduto è difficile spiegarlo: le cellule eucarioti attuali sono infatti molti più grandi in dimensioni e strutturalmente molto più complesse. La presenza di endomembrane, di compartimentalizzazione e del nucleo restano difficili da spiegare.

Ci sono diverse teorie sul modo in cui questo passaggio possa essere avvenuto. Una delle più accreditate e accettata da tutta la comunità scientifica, è la teoria endosimbiotica, formulata alla fine degli anni Ottanta da Lynn Margulis. Secondo questa teoria serie ripetute di processi simbiotici tra un Archea e varie linee batteriche avrebbero dato origine alla cellula eucariote attuale. L’endosimbiosi è una particolare forma di simbiosi, in cui un organismo unicellulare vive all’interno di un altro con caratteristiche di mutuo beneficio. L’ipotesi è che entrambi gli organismi coinvolti traessero da questo rapporto un reciproco vantaggio evoluzionistico per la loro sopravvivenza e che, con il passare degli anni, abbiano sviluppato una relazione permanente, che nelle generazioni successive sarebbe diventata imprescindibile. Gli endosimbionti avrebbero ceduto parte delle loro informazioni genetiche all’ospite, perdendo tutte quelle funzioni non più necessarie alla condizione di organismo ospitato. Con il tempo questi organismi sono diventatati parte integrante dell’ospite, contribuendo alla formazione di endomembrane, organelli, ciglia e flagelli.

Teoria endosimbiotica

La teoria endosimbiotica risulta essere una buona spiegazione per la creazione dei mitocondri e dei plastidi (nella cellula vegetale), ma lascia delle perplessità nel chiarire la formazione degli altri organelli. Recentemente è stata proposta da David e Buzz Baum un’altra teoria, che descrive la nascita della cellula eucariote da un’altra prospettiva; si parla di “inside-out model“. Tutto inizia da un’associazione mutualistica tra un Archea (l’ospite) e un proteobatterio, che vive sulla sua superficie. Sfruttando l’energia prodotta dai proteobatteri, l’ospite sarebbe in grado di ingrandirsi, formare protusioni, per aumentare la sua superficie di contatto per gli scambi metabolici, e in ultimo di inglobare i batteri superficiali. Con la progressiva crescita delle protusioni, il corpo dell’ospite si è trovato circondato dai loro lumi, creando una zona circoscritta ma in comunicazione con il resto della cellula, che sarebbe diventata il compartimento nucleare. In seguito alla maggiore espansione delle protuberanze, le loro membrane si sono fuse, formando una membrana continua esterna e delimitando un ambiente comune (il citoplasma), in cui i loro resti membranosi si sarebbero assemblati, creando dei compartimenti simili all’attuale reticolo endoplasmatico.

Inside-out mode for the evolution of eukaryotic cell organization. © 2014 Baum and Baum

A supporto di questa teoria c’è stata la recente scoperta di Lokiarchaeum, un Archea appartenente al superphylum dei “TACK”. Attraverso analisi metagenomiche è stato scoperto che il suo genoma codifica per molti geni omologhi agli eucarioti, rendendolo il “parente” vivente più prossimo all’ultimo progenitore eucariote ancestrale. Loki possiede infatti enzimi altamente conservati, deputati al controllo del traffico vescicolare attraverso canali semipermeabili (come i pori nucleari), e geni per le proteine citoscheletriche. Loki potrebbe quindi essere una cellula complessa dotata di compartimentalizzazione e capace di una primitiva forma di fagocitosi.

L’evoluzione cellulare resta un campo della biologia pieno di quesiti irrisolti e di supposizioni; studiare qualcosa accaduto milioni di anni fa è molto affascinante ma comporta molte difficoltà, soprattutto legate alla mancanza di modelli da ricreare in laboratorio. Studiare la biologia cellulare di Loki potrebbe essere la chiave per chiarire le trasformazioni morfologiche che hanno condotto all’attuale cellula eucariote

  • Martin, W.F et al (2015) Endosymbiotic theories for the origin of eucaryote origin. Philos. Trans. R. Soc. Lond. B Biol. Sci. 370,20140330
  • Baum and Baum: An inside-out origin for the eukaryotic cell. BMC Biology 2014 12:76 G. Dey, M. Thattai and B. Baum: On the Archeal origins of eucaryotes and th hallenges of inferring phenotype from genotype. Trends in Cell Biology, July 2016, Vol. 26, No. 7

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