Archaea e il significato della vita
Gli uomini amano smodatamente dividere le cose in due – il nostro approccio alla classificazione tassonomica non fa eccezione. Il primo sistema pubblicato da Linneo divideva gli organismi viventi in animali e piante, e negli anni ’60 questo è stato superato da una divisione più fondamentale tra procarioti ed eucarioti. Non deve quindi sorprendere che l’idea di un terzo dominio della vita – gli Archaea – abbia incontrato una feroce resistenza quando è stata proposta negli anni ’70.
Una breve storia degli Archaea: dal 1977 ad oggi
Gli Archaea sono molto diffusi sulla Terra eppure se ne sa relativamente poco, al di fuori dei gruppi selezionati di persone che studiano questi affascinanti organismi. Sono un mistero che viene lentamente svelato da quando sono stati “scoperti” nel 1977 da Carl Woese e dal suo gruppo, tra cui George Fox, mentre lavoravano all’Università dell’Illinois.
I metanogeni (archei che producono metano) e altri gruppi di microrganismi, tra cui gli alobatteri (ora chiamati archei alofili) e i termofili, erano già stati scoperti, ma erano stati erroneamente classificati nel dominio dei batteri. Woese ha scoperto che questi organismi non solo condividono l’amore per gli ambienti estremi, ma anche che sono filogeneticamente correlati tra loro. Tuttavia, è stato sorpreso di scoprire che sono fondamentalmente distinti dai batteri.
Woese stava usando la piccola unità di rRNA (RNA ribosomiale) per costruire un nuovo albero filogenetico. L’rRNA di piccola unità è un componente essenziale di tutti gli organismi auto-replicanti e mostra una notevole conservazione della sequenza. Questo lo rendeva una scelta perfetta per un cronometro molecolare. All’epoca questo approccio molecolare alla filogenesi era nuovo – i metodi precedenti si basavano invece su caratteristiche visibili come la forma delle cellule o le condizioni di crescita. Woese ha scoperto che i procarioti non sono un dominio coerente, ma sono costituiti da due gruppi distinti: Batteri e Archaea. All’epoca furono chiamati rispettivamente “Eubatteri” e “Archebatteri”, ma questi due gruppi di procarioti non erano più simili tra loro di quanto lo fossero con gli eucarioti. Woese propose che l’albero della vita ha tre rami uguali – Archaea, Bacteria ed Eukarya – e che il termine ‘procariote’ dovrebbe essere abbandonato perché non ha alcun significato tassonomico. Non sorprende che le sue idee non fossero universalmente popolari.
L-R: A MUD POOL, WAIOTAPU; CHAMPAGNE POOL, WAIOTAPU; A HOT SPRING IN YELLOWSTONE NATIONAL PARK; SULFUR DEPOSITS, WAIOTAPU; LADY KNOX GEYSER, WAIOTAPU.
Come per ogni nuova scoperta ci sono gli scettici, ma i dati biochimici di Wolfram Zillig supportarono i dati 16S rRNA raccolti da Woese. Col tempo, il nuovo dominio degli Archaea fu accettato dalla comunità scientifica. L’interesse per gli archaea aumentò ulteriormente dopo che il sequenziamento dell’intero genoma decollò negli anni ’90, e i ricercatori passarono sempre più spesso dai batteri o dagli eucarioti a lavorare su questi microrganismi esotici. Ma contrariamente alla credenza popolare, non tutti gli archei sono estremofili. Sono stati trovati anche in ambienti “normali” come il suolo e l’oceano, e in ambienti dove coabitano con i batteri. Per esempio, nell’intestino umano gli archei sono responsabili della produzione di metano! Tuttavia, a differenza dei batteri, non sono mai stati trovati archei patogeni.
Sono passati quasi 40 anni dalla loro riclassificazione in un nuovo dominio, ma ancora molte altre specie di archei vengono scoperte. Il sequenziamento del DNA è migliorato notevolmente, il che significa che gli archei non devono più essere coltivati per essere caratterizzati. Questo ha portato alla scoperta di stirpi completamente nuove. Sulla base dei dati filogenetici (16S rRNA e altri geni) il dominio Archaea era originariamente diviso in due gruppi: l’Euryarchaeota e il Crenarchaeota. Tuttavia, dal 2006 sono stati scoperti altri tre lignaggi: Thaumarchaeota, Aigarchaeota e Korarchaeota. Questi tre nuovi gruppi sono spesso combinati con il Crenarchaeota per formare il superphylum ‘TACK’ (più avanti su questo). Ancora più recentemente ci sono state segnalazioni di nuovi lignaggi di ‘nano’ archaea, che sono caratterizzati da una piccola dimensione cellulare con pochissimi geni. La costante scoperta di nuove specie e gruppi rende gli Archaea un dominio molto fluido, con l’albero filogenetico che cambia ad ogni nuova scoperta.
TIMELINE OF ARCHAEA FROM THEIR DISCOVERY TO PRESENT DAY.
Le origini della vita?
Gli archei possono sembrare batteri a prima vista e ci sono certamente molte somiglianze superficiali, ma scavando più a fondo gli archei hanno più cose in comune con gli eucarioti. Infatti, è ormai ampiamente accettato che gli archei sono gli antenati di tutti gli eucarioti.
Gli archei, come i batteri, sono organismi unicellulari con un genoma circolare a doppio filamento di DNA, e non hanno né una membrana nucleare né organelli. Questo significa che sono simili ai batteri in termini di struttura cellulare, anche se ci sono differenze. Gli Archaea non hanno una parete cellulare di tipo batterico e la loro membrana plasmatica è diversa da quella che si trova sia nei batteri che negli eucarioti. Ma all’interno della cellula, gli archei mostrano una sorprendente somiglianza con gli eucarioti. Questo è particolarmente vero per il macchinario enzimatico che elabora le informazioni genetiche – imballaggio e replicazione del DNA, trascrizione in RNA e traduzione in proteine. Tutti questi processi sono essenzialmente gli stessi negli archei e negli eucarioti, e sono ben distinti dai batteri.
Questo porta alla domanda: se gli archei sono più strettamente legati agli eucarioti che ai batteri, allora come si inseriscono nell’albero della vita?
L’albero filogenetico proposto da Woese era diviso in tre domini uguali, con Archei ed Eucarioi che condividevano un antenato comune che si era già differenziato dai batteri. Tuttavia, i biologi che lavorano sulle origini della vita hanno recentemente concluso che Eukarya e Archaea non sono gruppi fratelli. Invece, gli eucarioti sono i discendenti diretti degli archaea, e il nostro antenato perduto da tempo appartiene al superphylum “TACK” degli Archaea. Una delle nuove scoperte più eccitanti dell’ultimo anno è stata l’identificazione di un “anello mancante” tra Eukarya e Archaea. Chiamati Lokiarchaeota, sono stati trovati vicino a uno sfiato idrotermale in un sito noto come il Castello di Loki nell’Oceano Artico.
Possiamo usare la nostra conoscenza degli archaea per tracciare le origini della vita complessa? I microfossili eucariotici possono essere datati fino a 1,8 miliardi di anni fa, ma il metano biologico è stato trovato in rocce che hanno 3,4 miliardi di anni. L’unica fonte di metano biologico è l’Euryarchaeota metanogeno, quindi sappiamo che gli archaea esistono fin dall’inizio della vita sulla Terra. Per quanto riguarda la vita su altri pianeti, si è tentati di ipotizzare che gli archei possano aver colonizzato anche Marte – si stanno accumulando prove che il metano nell’atmosfera marziana ha un’origine biologica.
DR THORSTEN ALLERS DELL’UNIVERSITÀ DI NOTTINGHAM SPIEGA COME QUESTE FASCINANTI MICRO-ORGANISMI SONO STATI SCOPERTI PER LA PRIMA VOLTA – E COME CI HANNO ANCHE FATTO RICONSIDERARE IL NOSTRO POSTO SULL’ALBERO DELLA VITA.
La rivoluzione di Woese
Cosa significano le recenti scoperte per noi umani? Dato il nostro desiderio di dicotomia, dovremmo essere sollevati dal fatto che l’albero della vita sia stato ridotto a due soli rami primari: batteri e archaea. E più di ogni altra cosa, dovremmo dare credito a Carl Woese, la cui rivoluzione tassonomica ci ha permesso di rintracciare i nostri antenati fino ai loro umili inizi come cellule arcaiche.
ALBERI FISIOLOGENICI UNIVERSALI IN FORMA RADICATA, CHE MOSTRA I TRE DOMINI.
HANNAH MARRIOTT & THORSTEN ALLERS
School of Life Sciences, University of Nottingham, Queen’s Medical Centre, Nottingham NG7 2UH, UK
FURTHER READING
Eme, L. & Doolittle, W. F. (2015). Archaea. Curr Biol 25, R845-R875.
Spang, A. & altri (2015). Complessi archaea che fanno da ponte tra procarioti ed eucarioti. Natura 521, 173-179.
Williams, T. A. & altri (2013). Un’origine arcaica di eucarioti supporta solo due domini primari della vita. Nature 504, 231-236.
Woese C. R., Kandler O. & Wheelis M. L. (1990). Verso un sistema naturale di organismi: proposta per i domini Archaea, Bacteria e Eucarya. Proc Natl Acad Sci USA 87, 4576-4579.