Dalla "Forza" di "Star Wars" l'ispirazione per il nome del batterio Midichloria mitochondrii

Guerre Stellari ha fornito l'ispirazione per il nome di un batterio che potrebbe risolvere il dubbio sull'origine dei mitocondri

Questa la frase chiave detta da Qui-Gon Jinn ad Anakin Skywalker (cit. "Star Wars - La minaccia fantasma"):

"Without the midi-chlorians, life could not exist, and we would have no knowledge of the Force. They continually speak to us, telling us the will of the Force. When you learn to quiet your mind, you'll hear them speaking to you."

(all credit to the original poster)

La notizia però è che un gruppo di ricercatori ha pensato (con unanime consenso) di battezzare una specie di batteri con il nome evocativo Midichloria mitochondrii. Il perché di questa decisione trova spiegazione nell'importanza che l'antenato di questo batterio ha avuto per l'evoluzione delle cellule eucariote. Senza il suo aiuto non esisterebbero cellule in grado di produrre energia (la Forza) al livello necessario per la vita pluricellulare.

Ma andiamo con ordine.

Tafazzi

E' probabile che ben poche persone anche tra quelle che si occupano di biomolecolare, conoscano la proteina il cui nome, Tafazzina, deriva dalle difficoltà sperimentali incontrate durante la sua caratterizzazione. Alla fine di un duro lavoro la proteina (la cui mutazione è associata alla sindrome di Barth) venne identificata da un team italiano guidato da Daniela Toniolo. Il nome dopo tanto patire fu in un certo senso "obbligato", quello del mitico personaggio Tafazzi (impersonato da Giacomo del trio Aldo,Giovanni&Giacomo), emblema del masochista.

Come i midichlorians erano stati
immaginati al cinema (®it.starwars)

Questa non fu né la prima né l'ultima volta in cui il nome di un gene/proteina sia ispirato a qualche evento/particolare curioso, sebbene nella maggior parte dei casi si tratta di geni scoperti studiando il moscerino Drosophila. A mio ricordo è tuttavia l'unico ispirato ad un personaggio televisivo o cinematografico. Ho continuato a pensarlo fino a che non mi sono imbattuto in un batterio, appartenente alla famiglia delle Rickettsie, descritto per la prima volta in un articolo del 2004, guarda caso ancora con lo zampino di italiani. Il nome del batterio, Midichloria mitochondrii è chiaramente ispirato alla saga di Guerre Stellari.
L'importanza del batterio è legata ad un passaggio cruciale dell'evoluzione, quello della comparsa degli eucarioti "moderni", vale a dire cellule nucleate dotate di mitocondri. Da anni la famiglia delle Rickettsie era considerata quella più simile al batterio ancestrale la cui "scelta di vita" (vedremo meglio poi cosa intendo con questo) rese possibile la comparsa degli eucarioti moderni (e da li degli organismi pluricellulari); mancava tuttavia la cosiddetta prova della "pistola fumante" ad indicare le modalità di tale transizione e chi tra i membri delle Rickettsie fosse il più simile all'autore del "gesto" rivoluzionario. Apparentemente questo batterio è il Midichloria mitochondrii, grazie anche alla particolarità unica di penetrare entro i mitocondri.

Midichloria  in cellule di zecca (all credit to L. Sacchi, University of Pavia, Italy / image via link) 

Ho usato prima un termine ben poco biologico, "scelta di vita". Una definizione a mio avviso pregna di significato dato quanto avvenuto. Ad un certo punto negli oceani primordiali abitato unicamente da organismi unicellulari, e per motivi ancora dibattuti, un batterio in grado di usare l'ossigeno per ricavare energia (grazie alla fosforilazione ossidativa) divenne un ospite fisso della proto-cellula eucariotica che, priva della capacità di "maneggiare" un prodotto tossico formidabile come l'ossigeno era costretta agli ambienti anossici.

L'ossigeno è un gas altamente reattivo e un veleno sicuro in assenza di contromisure metaboliche. Mentre l'ossigeno nella Terra primordiale iniziava ad aumentare grazie all'opera indefessa dei cianobatteri che avevano "scoperto" i vantaggi della fotosintesi con l'unico inconveniente di produrre come scarto della reazione l'ossigeno molecolare (a cui i cianobatteri erano "resistenti"), gli altri organismi unicellulari, proto-eucarioti antenati delle cellule animali e vegetali, basavano il loro fabbisogno di energia su una serie relativamente inefficiente di reazioni chimiche note come glicolisi. Queste cellule vivevano in un mondo sempre più ostile dato che non erano in grado di annullare la tossicità dell'ossigeno. Esistevano poi alcuni batteri, molto più piccoli e senza nucleo, che avevano sviluppato un modo di utilizzare le proprietà corrosive di ossigeno per produrre energia in modo molto più efficiente rispetto alla glicolisi; per alimentare la loro fornace avevano però bisogno di sostanze nutrienti sparse in tutto l'ambiente. L'unione delle forze tra un proto-eucariote ed un batterio "evoluto" non poteva che avere successo di fronte alla inarrestabile azione dei cianobatteri. Per una idea sui tempi consideriamo che le prime evidenze di vita sulla Terra (stromatoliti) risalgono ad almeno 3,5 miliardi di anni fa (Maf), la fotosintesi batterica compare circa 3,2 Maf che porta ad una atmosfera ricca di ossigeno (2,3 Maf). I primi batteri aerobi compaiono 2,5 Maf ed i proto-eucarioti circa 3 Maf. Quindi la simbiosi deve essere avvenuta prima che la "grande ossigenazione" avvenisse e dopo la comparsa dei batteri aerobi ... . I metazoi (organismi pluricellulari eucarioti)? Per quelli bisogna aspettare 650 Maf.

Se l'unione sia derivata da un pasto "non digerito" della cellula eucariotica o da una infezione divenuta cronica da parte del batterio non è chiaro. Sta di fatto che il rapporto tra le due cellule è diventato imprescindibile e fondamentale per la sopravvivenza di entrambi.

Uno schema semplificato delle strutture presenti in una cellula. I mitocondri

Una cellula eucariote tipo (sinistra) e lo schema/fotografia di uno dei mitocondri

Nel corso di centinaia di milioni di anni di co-evoluzione, il batterio si è trasformato nel mitocondrio, un organello che funziona sia da centrale elettrica della cellula (energia ricavata grazie alla respirazione cellulare, presente sia in animali che in vegetali) che da "decontaminatore" in grado di eliminare uno degli agenti più tossici in assoluto, l'ossigeno.

Nota. Un mitocondrio è un organello cellulare di forma allungata presente, in numero variabile, nel citoplasma di tutte le cellule animali a metabolismo aerobico e nelle cellule vegetali. E' delimitato da due membrane di cui quella interna presenta numerose invaginazioni, dette creste mitocondriali, che contengono (insieme alla matrice mitocondriale) il macchinario per la respirazione cellulare. Questo processo (che comprende il ciclo di Krebs e la fosforilazione ossidativa) è la vera e propria macchina energetica della cellula, in grado di massimizzare l'energia ricavata, sotto forma di ATP, a partire dal prodotto finale della glicolisi, il piruvato. L'ossigeno entra in gioco nella fase finale della fosforilazione ossidativa come accettore terminale degli elettroni; da questa reazione di riduzione l'ossigeno si "trasforma" in acqua.

 

Una simbiosi ottenuta pur mantenendo una certa individualità riscontrabile nell'avere mantenuto un proprio patrimonio genetico, distinto dal DNA nucleare, e da meccanismi di regolazione trascrizional-traduzionali propri. 

il mitocondrio (®newscientis.com)

Una simbiosi datata poco meno di 2 miliardi di anni fa quella tra il batterio e la protocellula eucariotica, che ricalca quella cinematografica dei Midi-chlorian, gli organismi che nel film vivono all'interno delle cellule e garantiscono il possesso di una energia nota come "la Forza".

Il nome scelto per la Rickettsia imparentata con il "proto-mitocondrio", Midichloria mitochondrii racchiude volutamente la storia evolutiva ... con un pizzico di fantasia cinematografica.

Il rapporto simbiotico tra mitocondri e cellule eucariotiche si è spinto a tal punto che molti dei geni mitocondriali originari sono andati persi, non più utili per la vita intracellulare, mentre altri sono passati nel nucleo, demandando così la regolazione "all'ospite". Tra le caratteristiche mitocondriali che ci ricordano l'origine batterica abbiamo l'organizzazione genica e il macchinario trascrizional-traduzionale (nettamente di tipo batterico), la proliferazione non associata alla divisione cellulare ma legata invece alle necessità energetiche della cellula, e la doppia membrana che avvolge il mitocondrio. 
Come anticipato sopra due sono le teorie che cercano di spiegare l'origine di questa unione.
A favore della "predazione fallita" sarebbe la doppia membrana del mitocondrio, ad  indicare la cattura da parte della cellula di una cellula esterna. Una cena "indigesta" per motivi ignoti (mutazioni?) che portò alla coesistenza forzata. Il batterio vivo, e in grado di replicarsi, sarebbe stato quindi trasmesso di generazione in generazione fino a che l'opera della selezione avrebbe reso questa simbiosi indissolubile. Questa l'ipotesi classica.

La seconda ipotesi (fondata sulla caratterista peculiari del Midichloria mitochondrii di penetrare da solo nella cellula) prevede invece che a fare la prima mossa sia stato il batterio che, dotato di un flagello, era in grado non solo di muoversi ma anche di usare questa propulsione per cercare cellule da parassitare. In questo caso l'evento "casuale" (mutazione?) avrebbe bloccato l'azione parassitaria a metà lasciando il batterio intrappolato (e schiavizzato) all'interno della cellula. Una ipotesi molto interessante.

Perché proprio il M. mitochondrii e non un altro membro della famiglia delle Rickettsie?

Per due motivi. Primo perché il suo genoma poco caratterizzato ha fornito solo ora alcuni indizi in tal senso e secondo perché è l'unico batterio in grado di entrare nei mitocondri. Molti altri batteri (come il Mycobacterium tuberculosis, responsabile della tubercolosi) sono in grado di vivere all'interno delle cellule ma nessuno nei mitocondri.

A) il batterio (b) mentre sta penetrando nel mitocondrio (m)- si trova la membrana
interna ed esterna del mitocondrio; B) un mitocondrio infettato da 3 batteri
(® L. Sacchi et al)

Lo studio di Sassera e collaboratori mostra due prove interessanti: il genoma del batterio contiene 26 geni coinvolti nella sintesi del flagello - inclusi tutti i componenti chiave come il gancio, filamento e corpo basale - e una serie di geni codificanti per gli enzimi che avrebbero permesso al batterio di sopravvivere in un ambiente ipossico quale è l'interno di una cellula.  

Ricordo che l'ossigeno è necessario per fare funzionare la centralina energetica della cellula ma è anche un elemento estremamente tossico (così come lo sono i suoi derivati) a causa del forte potere ossidativo che si manifesta con danni a carico delle membrane, del DNA e delle proteine. L'aumentata concentrazione di ossigeno in seguito alla evoluzione della fotosintesi è stato probabilmente l'evento più catastrofico mai sperimentato nella biosfera. La stragrande maggioranza degli organismi allora viventi (unicellulari) scomparve (o fu confinato ad ambienti rigidamente anossici) a favore dei pochi aerobi che riuscirono a coniugare il processo di detossificazione alla produzione di energia (respirazione cellulare).

Per inciso va detto che l'evoluzione delle cellule vegetali è il risultato di una doppia "infezione": quella che ha generato il mitocondrio e il plastidio, da cui origina il cloroplasto, l'organello alla base della capacità fotosintetica nella cellula eucariotica vegetale. Va anche precisato che gli antenati di questi due organelli sono diversi. Una proto-rickettsia per il mitocondrio e un cianobatterio (un tempo chiamati impropriamente alghe azzurre) per i plastidi (vedi immagine riassuntiva QUI).

Proprio grazie allo studio di Sassera, è stato identificato l'unico membro della famiglia delle Rickettsie, il Midichloria mitochondrii,  dotato dei geni (quindi le proteine) che gli permette di vivere sia in ambiente aerobico che anaerobico.

In conclusione un parassita neutralizzato dalla proto-cellula più che un preda salvatasi per caso.

Nota. Il processo simbiontico che ha originato cloroplasti e mitocondri non è un unicum evolutivo che si perde nella notte dei tempi ma lo possiamo vedere in atto anche oggi.
Possiamo vederlo oggi in atto nell'ameba Paulinella che ha un cianobatterio come simbionte obbligato. Una simbiosi talmente avanzata che il batterio non potrebbe più vivere al di fuori della cellula ameboide in quanto alcuni dei suoi geni sono già stati trasferiti nel genoma dell'eucariote. In altre parole il cianobatterio sta compiendo la stessa strada (ed è già a buon punto) che lo porterà a diventare un cloroplasto.
Questi eventi sono definiti simbiogenesi primaria. Si parla invece di simbiogenesi secondaria quando un eucariota eterotrofo ricava un cloroplasto "schiavizzando" un Archeaplastidia cioè eucarioti autotrofi divenuti capaci di fotosintesi nel Cambriano catturando un batterio autotrofo. Gli Archeaplastidia comprendono alghe rosse, alghe verdi e glaucofite

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Fonte

- Star Wars-inspired bacterium provides glimpse into life

University of Sidney, news

- 'Candidatus Midichloria mitochondrii', an endosymbiont of the tick Ixodes ricinus with a unique intramitochondrial lifestyle.

D. Sassera et al, Int J Syst Evol Microbiol. 2006 56 (Pt 11):2535-40.

- Phylogenomic evidence for the presence of a flagellum and cbb(3) oxidase in the free-living mitochondrial ancestor. 

D. Sassera et al, Mol Biol Evol. 2011 Dec;28(12):3285-96 

- The Origin of Mitochondria
Martin, W. & Mentel, M. (2010) Nature Education 3(9):58