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Viaggio nel tempo: l'evoluzione dei mitocondri

Da quali batteri ancestrali derivano gli odierni mitocondri? Saperlo può aiutarci a capire le malattie che colpiscono questi organuli o addirittura aprire la strada alla creazione di mitocondri sintetici, da utilizzare in campo medico e ambientale.
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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 questa pagina, Telethon dedica un articolo alle Mitocondriopatie, le malattie che colpiscono il funzionamento dei mitocondri: molte di queste malattie sono rare e orfane di trattamenti efficaci.
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:
  1. Le dimensioni dei mitocondri combaciano con quelle dei batteri;
  2. I mitocondri sono dotati di un proprio DNA;
  3. I mitocondri presentano una doppia membrana di rivestimento, residuo del processo di endocitosi del batterio ancestrale.
In questo video (in inglese) è riassunta la teoria endosimbiotica:
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.
Come si esegue l’analisi bioinformatica dell’apparato energetico di una cellula? Quali informazioni può fornire? I tradizionali metodi bioinformatici permettono di seguire l’evoluzione di geni e proteine e di ricostruire il legame filogenetico tra organismi. Più i geni e le proteine si assomigliano, più due organismi sono evolutivamente vicini tra di loro. Purtroppo, i sistemi di analisi classica tralasciano molte informazioni che, come nel caso dell’evoluzione dei mitocondri, possono essere fondamentali. Da questo iniziale ostacolo nasce l’idea di Mauro Degli Esposti di seguire un approccio diverso, basato sull’analisi dettagliata di proteine dell’apparato bioenergetico della cellula: tra queste, le proteine che formano il nucleo catalitico della citocromo ossidasi (chiamata anche COX), la ferro-zolfo proteina della ubichinolo-citocromo c reduttasi e, infine, la nitrato reduttasi. Considerando le varie forme molecolari degli enzimi COX1 e COX3 nella citocromo ossidasi, si è potuto ricostruire il percorso di graduale adattamento di questo enzima all'aumento progressivo di ossigeno sulla Terra: aumento che ha coinciso con il periodo di evoluzione dei metanotrofi e di altri batteri da cui sarebbero poi derivati gli odierni mitocondri. L’integrazione degli studi filogenetici delle proteine COX  ha permesso di escludere altri batteri, dal Rhodobacter alla Rickettsia, ritenuti per molto tempo potenziali precursori dei mitocondri.
I mitocondri sembrano svolgere un ruolo fondamentale anche nei processi di invecchiamento cellulare: in un recente articolo in Ultime dal Lab di Aula di Scienze abbiamo riportato lo studio che ha permesso di individuare nel NAD una delle molecole chiave della continua comunicazione tra cellula e mitocondrio. Se questa comunicazione viente interrota, l'invecchiamento cellulare accelera. Qui trovate la news.
Che cosa sono i "mitocondri sintetici" e quali applicazioni potrebbero avere? Difetti metabolici associati a malattie genetiche che coinvolgono i mitocondri sono ancora molto difficili da curare e vanno a infoltire la schiera delle malattie rare e orfane. Sostituire i mitocondri malati con batteri analoghi ma metabolicamente funzionanti (mitocondri sintetici) potrebbe fornire una terapia insolita ma efficace per curare queste malattie rare e, al momento, in gran parte prive di trattamenti adeguati. Per farlo, è fondamentale sapere prima quali batteri utilizzare per mimare il processo di ri-evoluzione in laboratorio. Grazie allo studio dei ricercatori italiani, ora sappiamo che il punto di partenza è dato dai batteri metilotrofi. Il potenziale utilizzo dei mitocondri sintetici va dalla biomedicina (per compensare la scarsa funzionalità di questi organelli nel diabete o nel morbo di Parkinson) al campo ambientale, dove mitocondri sintetici con forti capacità metanotrofica potrebbero essere inoculati negli animali da allevamento e ridurre le loro emissioni di metano, uno dei principali gas serra.
La preparazione di mitocondri artificiali rappresenta solo una delle grandi sfide della biologia sintetica, un argomento trattato di recente in un Come Te Lo Spiego di Aula di Scienze: se volete approfondire gli aspetti chiave di questa branca della biologia, Angela Simone vi accompagna a fare 4 passi nella biologia sintetica.
Mitocondri_news

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