Un gigantesco batterio che non dovrebbe esistere

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I batteri “impossibilmente grandi” sconvolgono il campo della microbiologia. Un gigantesco batterio si è evoluto in modo diverso da quanto avrebbero previsto i modelli fondamentali della biologia. In poche parole, questi batteri non dovrebbero esistere.

Nel 1977 il regno di Monera crollò. Era un regno giovane, di soli 50 anni circa. Composto da batteri e microbi simili, era anche il regno più popolato mai esistito. Gli studiosi spesso attribuiscono la caduta a Carl Woese, un microbiologo e biofisico americano, che, attraverso l’analisi genetica, scoprì che i confini del regno di Monera erano disegnati in modo errato.

Credit: Jean-Marie Volland et al., preprint
Credit: Jean-Marie Volland et al., preprint

Oltre a sgretolare il regno, la scoperta di Woese ha trasformato l’Albero della Vita, un “albero genealogico” di tutte le specie sulla Terra. Di conseguenza, l’ex regno e la sua cittadinanza furono separati in due domini: Batteri e Archaea. E ora, una nuova scoperta che ha sconvolto il campo della microbiologia potrebbe suggerire che siamo sull’orlo di un altro impero in rovina. Questa volta, è dovuto a una specie di batteri insolitamente grandi chiamata “Magnifica Sulphur Margarita”.

Thiomargarita magnifica: il batterio che non dovrebbe esistere

Tecnicamente, questa specie di grandi batteri si chiama Thiomargarita magnifica (che potrebbe anche essere tradotta “Grande perla di zolfo”, ma Margarita è più fresca).Un paio di anni fa, però, non aveva un nome. Solo una manciata di scienziati sapeva che esisteva e non avevano idea che fosse un batterio.

Olivier Gros, un biologo marino dell’Università delle Antille francesi, ha notato fili bianchi lunghi un centimetro attaccati alle foglie di mangrovie sommerse. All’epoca sospettava si trattasse di funghi ma non riconosceva la specie. Solo circa il sette percento dei funghi è stato caratterizzato, quindi Gros ha raccolto un campione e lo ha riportato al suo laboratorio. Il dottorando di Gros, Jean-Marie Volland, iniziò ad analizzare l’insolito organismo. E le cose sono diventate strane.

Secondo lo studio, che è ancora in fase di pubblicazione e deve essere verificato mediante revisione tra pari, i primi esperimenti suggerivano che l’organismo fosse un abitante del dominio dei batteri, ma era 50 volte più grande del più grande batterio mai scoperto, abbastanza grande da poter essere visto senza un microscopio. Ciò dovrebbe essere impossibile, o almeno così sembrerebbe basato sull’ipotesi del vincolo di diffusione, che postula che i batteri siano di dimensioni limitate a causa della velocità di diffusione dei nutrienti.

The bacterium grows as centimeter-long white strands, 50 times larger than the biggest bacterium ever discovered. (Credit: Jean-Marie Volland et al., preprint)
The bacterium grows as centimeter-long white strands, 50 times larger than the biggest bacterium ever discovered. (Credit: Jean-Marie Volland et al., preprint)

Biofisica batterica

In inglese, l’ipotesi del vincolo di diffusione afferma essenzialmente: “Se una cellula vuole spostare qualcosa su una lunga distanza, deve fare del lavoro”. Quanto lavoro deve essere fatto? Dipende dalle dimensioni della cella.

Immagina di mettere una goccia di colorante nero sul bordo di un bicchierino pieno d’acqua. In pochi secondi, il colorante si è diffuso al centro del vetro. >Questa è diffusione passiva. Funziona benissimo per le piccole cellule, come i batteri. Ora, immagina di mettere una goccia di colorante nero sul bordo di una piscina olimpionica. La tintura impiegherà troppo tempo per arrivare al centro e sarà troppo diluita quando lo farà, a meno che un nuotatore non raccolga la tintura con una tazza e la nuoti fino al centro della piscina. Questa è diffusione attiva. Ci vuole lavoro, che richiede energia.

Ma i batteri sono pigri, quindi fanno affidamento solo sulla diffusione passiva. Assorbono i nutrienti attraverso le loro membrane e poi lasciano che le leggi della fisica prendano il sopravvento. Proprio come la piscina, se il batterio diventa troppo grande, i nutrienti non possono diffondersi in modo efficiente in tutta la cellula. Le cellule più grandi e complesse note come cellule eucariotiche, come le cellule umane, superano questa limitazione fisica utilizzando elaborati sistemi di trasporto che trasportano i nutrienti dove sono necessari. Questi sistemi non esistono nei batteri.

Come i grandi batteri infrangono le regole

L’enorme microbo ha trovato un modo per aggirare l’ipotesi del vincolo di diffusione: contiene una sacca piena di liquido, che schiaccia il contenuto intracellulare contro la sua parete cellulare esterna.(Tornando all’analogia precedente, sarebbe come mettere un gigantesco pallone in piscina, costringendo tutta l’acqua ai bordi.) Ciò significa che i nutrienti non devono diffondersi molto lontano, poiché sono limitati ai bordi del batterio.

Inside the massive microbe is a fluid-filled sac, which squishes the intracellular contents up against its outer cell wall. (<a href="https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2022.02.16.480423v1.full" target="_blank" rel="noreferrer noopener">Credit</a>: Jean-Marie Volland et al., preprint)
Inside the massive microbe is a fluid-filled sac, which squishes the intracellular contents up against its outer cell wall. (Credit: Jean-Marie Volland et al., preprint)

I grandi batteri infrangono un’altra grande regola: hanno qualcosa di simile a un nucleo, uno speciale compartimento contenente DNA che è la struttura che definisce le cellule eucariotiche. Un nucleo è ciò che, secondo la teoria endosimbiotica, separa le cellule procariotiche più semplici (Domains Bacteria e Archaea) dalle cellule eucariotiche più complesse. In qualche modo, questi grandi batteri hanno preso una svolta evolutiva molto strana, che non sarebbe stata prevista da nessuna teoria esistente. In altre parole, questi grandi batteri non dovrebbero esistere.

L’albero della vita è sbagliato?

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Credit: VectorMine / Adobe Stock

Il cosiddetto “Albero della vita”, che descrive la nostra comprensione delle relazioni evolutive che risalgono all’inizio, cioè all’origine della vita, è un principio fondamentale insegnato nei libri di testo di biologia in tutto il mondo. È sbagliato?

Probabilmente no, ma i grandi batteri suggeriscono fortemente che la nostra comprensione dell’evoluzione della complessità biologica è tristemente incompleta.Prendono il loro posto accanto a virus giganti, alcuni dei quali sono più grandi dei batteri. Insieme, questi microbi anomali suggeriscono che un mistero rimane nel profondo del cuore della biologia evolutiva.

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