I mitocondri sono organelli fondamentali per il metabolismo cellulare: grazie a complesse reazioni biochimiche intrecciate tra di loro, i mitocondri svolgono il ruolo di centralina energetica delle cellule. Ma non è sempre stato così. In un lontanissimo passato evolutivo, le cellule eucariotiche erano prive di mitocondri. L’acquisizione di questi preziosi organuli sarebbe avvenuta attraverso l’incontro di una cellula con batteri ancestrali: questi sarebbero poi stati inglobati dalla cellula eucariotica, portando a un vero e proprio rapporto di simbiosi e di reciproca dipendenza energetica (teoria endosimbiotica). Questa teoria rappresenta un punto indiscusso dell’evoluzione delle cellule eucariotiche così come le conosciamo oggi, ma rimane però un punto interrogativo: da quali batteri ancestrali derivano gli odierni mitocondri? Saperlo permetterebbe di capire meglio alcune malattie che colpiscono questi organelli o addirittura aprire la strada alla creazione di mitocondri sintetici, da utilizzare in campo medico e ambientale.
In uno studio pubblicato di recente sulla rivista PLOS One, Mauro Degli Esposti – ricercatore dell’Istituto Italiano di Tecnologia di Genova – ha messo a punto, insieme a colleghi milanesi, un sistema per risalire agli antenati dei mitocondri. Scandagliando il passato di geni e proteine coinvolte nelle vie di produzione dell’energia cellulare, i ricercatori italiani sono riusciti a dipanare il percorso evolutivo, risalendo all’incontro tra cellule ancestrali e batteri metilotrofi: una fusione magica da cui sarebbero nati i mitocondri.
La struttura di un mitocondrio, l'organulo che regola molte delle reazioni bioenergetiche della cellula eucariotica (Immagine: Wikimedia Commons)
Nel lontano passato evolutivo, perché un batterio avrebbe dovuto entrare in simbiosi con una cellula eucariotica? Nell’oceano primordiale gli elementi essenziali alla vita erano piuttosto scarsi. Le principali fonti di nutrienti e minerali erano i vulcani sottomarini ed è proprio qui che le prime forme di vita fecero la loro comparsa. Il loro destino fu però di breve durata: quando i vulcani sottomarini si spensero, gli organismi che li popolavano dovettero migrare per trovare un ecosistema adatto alla loro crescita. Ma prima di trovare altri vulcani sottomarini, gli organismi primordiali si trovarono immersi in oceani con solo pochissimi nutrienti a disposizione. La cooperazione fra organismi divenne quindi fondamentale per la sopravvivenza: batteri specializzati nell’utilizzare il metano emesso dai vulcani come fonte di energia potevano trarre beneficio dal collaborare con altri microrganismi, che invece rilasciavano metano nell’ambiente come prodotto di scarto del loro metabolismo (basato su acidi organici, come l’acetato). Nasce così una strategia di collaborazione che si rivela vincente per sopravvivere in carenza di nutrienti esterni e apre la strada evolutiva che porterà rapidamente alla simbiosi tra organismi. Che cosa si intende per teoria endosimbiotica? La teoria endosimbiotica spiega come i mitocondri derivino da un rapporto di simbiosi tra un batterio e una cellula eucariotica. Gli elementi fondamentali a sostegno della teoria sono tre:
- Le dimensioni dei mitocondri combaciano con quelle dei batteri;
- I mitocondri sono dotati di un proprio DNA;
- I mitocondri presentano una doppia membrana di rivestimento, residuo del processo di endocitosi del batterio ancestrale.
Che cosa abbiamo scoperto percorrendo a ritroso l'evoluzione dei mitocondri? Grazie anche i risultati raggiunti dallo studio italiano pubblicato recentemente su PLOS One, oggi siamo in grado di dire che:
- I mitocondri, così come i cloroplasti, derivano da un batterio ancestrale entrato in un rapporto di simbiosi energetica con la cellula eucariotica.
- Il processo di simbiosi che ha generato gli attuali mitocondri è da imputarsi a un evento unico (e non ripetuto nel tempo con batteri diversi).
- Le strutture bioenergetiche delle nostre cellule si sono evolute a partire dai metilotrofi, i batteri con la massima versatilità metabolica: non hanno bisogno di perfezionare le proprie vie metaboliche per ottenere energia da acidi organici, ma possono semplicemente utilizzare gli enzimi di cui già dispongono. Con il procedere dell’evoluzione e l’instaurarsi della simbiosi, i metilotrofi hanno semplicemente “spento” parte di questo apparato.
