Scoperto il più grande batterio conosciuto e ha una cellula inaspettatamente complessa

Il microbo gigante di una mangrovia potrebbe essere un anello mancante tra gli organismi unicellulari e le cellule che compongono l'uomo

[25 Febbraio 2022]

Per definizione, i microbi dovrebbero essere così piccoli da poter essere visti solo con un microscopio. Ma lo studio “A centimeter-long bacterium with DNA compartmentalized in membrane-bound organelles”, pubblicato in un preprint online su bioRxiv la scorsa settimana, descrive un batterio che vive nelle mangrovie caraibiche che non rispetta questa regola: «La sua singola cellula filiforme è visibile ad occhio nudo, cresce fino a 2 centimetri, lunga come un’arachide, e 5.000 volte più grande di molti altri microbi. Inoltre, questo gigante ha un genoma enorme che non fluttua liberamente all’interno della cellula come in altri batteri, ma è invece racchiuso in una membrana, un’innovazione caratteristica di cellule molto più complesse, come quelle del corpo umano».

Il batterio ha sbalordito il team di ricercatori statunitensi e francesi che ne hanno esaminato le caratteristiche. «Quando si tratta di batteri, non si può dire mai, ma questo di sicuro sta spingendo più in là di 10 volte quello che pensavamo fosse il limite superiore delle loro dimensioni» ha detto a Science Verena Carvalho, una microbiologa dell’università del Massachusetts – Amherst.

Secondo Victor Nizet, un infettivologo dell’università della California – San Diego, «La scoperta è fantastica e illuminante. Il batterio sovradimensionato è più grande dei moscerini della frutta e dei nematodi», organismi utilizzati comunemente in laboratorio che Nizet e i suoi colleghi  a volte infettano con batteri molto più piccoli per realizzare le loro ricerche.

Kazuhiro Takemoto, biologo computazionale del Kyushu Institute of Technology, commenta: «A parte lo sconvolgere le idee su quanto grandi e sofisticati possano diventare i microbi, questo batterio potrebbe essere un anello mancante nell’evoluzione delle cellule complesse».

Da tempo gli scienziati hanno diviso la vita in due gruppi: i procarioti, che includono batteri e microbi unicellulari chiamati archaea, e gli eucarioti, che includono qualsiasi cosa, dal lievito alla maggior parte delle forme di vita multicellulare, compreso l’uomo. Presentando lo studio, Science, spiega che «I procarioti hanno DNA fluttuante, mentre gli eucarioti impacchettano il loro DNA in un nucleo. Gli eucarioti compartimentalizzano anche varie funzioni cellulari in vescicole chiamate organelli e possono spostare le molecole da un compartimento all’altro, cosa che i procarioti non possono fare. Ma il microbo appena scoperto offusca il confine tra procarioti ed eucarioti».

Una decina di anni fa uno degli autori dello studio, Olivier Gros, un biologo marino dell’Université des Antilles – Pointe-à-PitreUniversità delle Antille francesi, Pointe-à-Pitre, si imbatté in uno strano organismo formato da sottili filamenti sulle superfici delle foglie di mangrovie in decomposizione. Solo 5 anni dopo lui ei suoi colleghi si resero conto che gli organismi erano in realtà batteri e non hanno capito quanto fossero speciali fino a poco tempo fa, quando uno studente del team di Gros, Jean-Marie Volland, accettò la sfida di cercare di caratterizzarli.

Alcuni microbi, come le muffe melmose e le alghe blu-verdi, formano steli o filamenti visibili composti da pile di cellule, ma il team di ricercatori è riuscito a  verificare che i filamenti delle mangrovie sono in realtà ciascuno una sola cellula utilizzatndo diversi metodi di microscopia e colorazione.

Volland, che è il principale autore dello studio e che ora lavora al Department of Energy Joint Genome Institute del Lawrence Berkeley National Laboratorye al Laboratory for Research in Complex Systems, ricorda; «Questo era qualcosa a cui all’inizio non credevamo. Inoltre, quella cellula include due sacche di membrana, una delle quali contiene tutto il DNA della cellula, un  organello»

Per la Carvalho «Questo è un nuovo grande passo avanti, che implica che i due rami della vita non sono così diversi come si pensava in precedenza». E Petra Levin, microbiologa alla Washington University di St Louis, concorda: «Forse è ora di ripensare alla nostra definizione di eucariota e procariota! E’ una storia fantastica».

L’altra sacca piena d’acqua potrebbe essere la ragione per cui il batterio può diventare  così grande. I microbiologi pensavano che i batteri dovessero essere piccoli, in parte perché mangiano, respirano e si liberano delle tossine diffondendo le molecole attraverso l’interno delle loro cellule e ci sono limiti alla distanza che queste molecole possono percorrere. Poi, nel 1999, i ricercatori hanno scoperto al largo della costa della Namibia un gigantesco microbo mangiatore di zolfo, all’incirca delle dimensioni di un seme di papavero che potrebbe essere così grande perché il suo contenuto cellulare è schiacciato contro la sua parete cellulare esterna da un gigantesco sacco pieno di acqua e nitrati. Le molecole essenziali dei batteri possono ancora diffondersi dentro e fuori perché, come spiega la  Carvalho che ha lavorato su questo gruppo di batteri, «La cellula vive solo lungo il bordo». Da allora gli scienziati hanno trovato altri grandi batteri che mangiano zolfo, ma i loro lunghi filamenti sono costituiti da più cellule.

Come il microbo trovato in Namibia, anche il nuovo batterio delle mangrovie ha un’enorme sacca, presumibilmente d’acqua, che occupa il 73% del suo volume totale. Quella somiglianza e un’analisi genetica hanno portato il team di ricerca a collocarlo nello stesso genere della maggior parte degli altri giganti microbici e a proporre di chiamarlo Thiomargarita magnifica.

Andrew Steen, un bioinformatico dell’Università del Tennessee – Knoxville, che studia come i microrganismi influenzano i cicli geochimici, ha commentato ammirato: «Che nome eccellente! Leggerlo mi fa sentire esattamente allo stesso modo di quando sento parlare di un enorme dinosauro, o di qualche struttura celeste che è incredibilmente grande o calda o fredda o densa o in qualche modo strana».

La più grande cellula di T. magnifica trovata da Volland era lunga  2 centimetri, ma la Carvalho pensa che se non calpestate, mangiate, portate via dal vento o spazzate via da un’onda, potrebbero diventare ancora più grandi.

Anche la sacca piena di DNA, schiacciata lungo il bordo interno di questo batterio, si è rivelata straordinaria: quando i ricercatori del Department of Energy Joint Genome Institute hanno sequenziato il DNA al suo interno, hanno scoperto che «Il genoma è enorme, con 11 milioni di basi che ospitavano circa 11.000 geni chiaramente distinguibili. Tipicamente, i genomi batterici hanno una media di circa 4 milioni di basi e circa 3900 geni».

Etichettando il DNA con tag fluorescenti, Volland ha determinato che «Il genoma del batterio è  così grande perché ci sono più di 500.000 copie degli stessi tratti di DNA. All’interno del sacco pieno di DNA ci sono anche le fabbriche di produzione di proteine ​​​​chiamate ribosomi, rendendo probabilmente più efficiente la traduzione del codice di un gene in una proteina».

Chris Greening, microbiologo della Monash University – Clayton, conclude: «Separare il materiale genetico da tutto il resto consente un controllo più sofisticato e una maggiore complessità. Troppo spesso i batteri sono considerati forme di vita piccole, semplici e “non evolute”, i cosiddetti “sacchetti di proteine”. Ma questo batterio dimostra che questo potrebbe essere molto lontano dalla verità».