Come si diventa una cellula eucariotica? Come hanno fatto le cellule procariotiche - prive nucleo, mitocondri e organuli - a diventare le cellule eucariotiche che formano tutti gli organismi pluricellulari del nostro pianeta? David Baum sono trent’anni che si arrovella su queste domande. Oggi, ricercatore della University of Wisconsin, David ha messo a punto, insieme al cugino Buzz Baum, un modello che ribalta in parte la  teoria endosimbiotica e fornisce una soluzione semplice a dubbi fino a oggi senza risposta.

La teoria endosimbiotica La visione più accreditata per l’origine delle cellule eucariotiche si rifà all'endosimbiosi: l’incontro tra un archeobatterio ancestrale e un'altra cellula procariotica (il proto-mitocondrio) avrebbe dato origine ad un rapporto simbiotico con benefici per entrambi: il proto-mitocondrio veniva isolato e protetto dall'ambiente esterno e l'archeobatterio traeva vantaggio dal metabolismo particolarmente efficace del mitocondrio, in grado di rifornirlo di quantità di energia molto superiori a quelle che era autonomamente in grado di produrre. Una simbiosi tanto vantaggiosa che, con il tempo, il proto-mitocondrio sarebbe stato inglobato, finendo per divenire un organello stabilmente presente nel citoplasma dell’archeobatterio: ecco nata la prima cellula eucariotica. Fermi tutti! La teoria endosimbiotica spiega molto bene la nascita dei mitocondri, ma se spingiamo il tasto rewind su quanto appena descritto ci accorgiamo che i mitocondri sono gli unici organuli la cui origine venga spiegata in modo esaustivo. Che dire di tutti gli altri organuli e strutture cellulari? Le dinamiche alla base della loro origine rimangono avvolte nella nebbia. Tra i quesiti che più hanno assillato Baum in questi anni vi è quello della nascita del nucleo: come si è formata la membrana che protegge il materiale genetico? E ancora, come si è formato quel complesso sistema di membrane intracellulari, dall’apparato di Golgi al reticolo endoplasmatico, che coordina la produzione di proteine e il loro metabolismo?

Atto I: due cellule si tendono la mano Fino ad oggi l’idea era che, nella cellula ancestrale, gli organuli si fossero formati per semplice separazione in compartimenti di strutture già presenti. La teoria di Baum ribalta completamente questo punto di vista: la cellula procariotica ancestrale ha via via annesso strutture aggiuntive, fino a creare una serie di apparati che - una volta raggruppati sotto il controllo del nucleo – ha dato vita alla cellula eucariotica così come la conosciamo oggi. Nel dettaglio, ecco i passaggi (riassunti in figura): inizialmente l'archeobatterio ancestrale e il proto-mitocondrio sono due entità separate (A), fino a quando l'archeo inizia a presentare propaggini del citoplasma che si allungano verso l'esterno e prendono contatto con i proto-mitocondri (B). Con il passare del tempo, vengono favoriti gli archea con le propaggini più lunghe ed avvolgenti, quelle che garantiscono il contatto più stretto, fino a quando i mitocondri vengono inglobati nel citoplasma (C).

Le tappe successive nell'evoluzione delle cellule eucariotiche secondo la teoria di Baum (Immagine: Baum and Baum, BMC Biology 2014).

Atto II: un abbraccio avvolgente La vera innovazione della teoria di Baum arriva però nella seconda fase. Come si spiega l’origine del nucleo e delle altre membrane interne alla cellula? Mano a mano che vengono selezionati gli archea con propaggini sempre più avvolgenti, la cellula finisce per auto-inglobarsi (D): le protusioni del citoplasma si allungano e si ripiegarono su se stesse, formando un involucro esterno che racchiude sia i mitocondri che l'archeo originario in un unico citoplasma (E) . Allo stesso tempo, questo ripiegamento dà origine alla membrana nucleare, all’apparato di Golgi e al reticolo endoplasmatico (F). Guardare con occhi nuovi Come per tutte le teorie appena nate, la comunità scientifica si divide tra i possibilisti e gli increduli. Ripercorrere in laboratorio le tappe ipotizzate dai Baum è oggi impossibile, ma quello che si può fare è utilizzare la nuova visione “ribaltata” (o “inside-out”, come l’hanno battezzata) per illuminare alcuni dei molti punti oscuri che ancora rimangono. I Baum hanno lanciato il guanto della sfida. Ora il gioco è nelle mani di tutti i ricercatori impegnati nello studio dell'origine della vita: a loro la sfida di uscire dal percorso già tracciato e provare a guardare il tutto da una prospettiva completamente nuova. Immagine Banner: modificata da Baum and Baum, BMC Biology 2014 Immagine Box: Wikimedia Commons