Un'ameba fotosintetica per capire qualcosa in più sull'origine dei cloroplasti

Un recente studio, condotto da un gruppo di scienziati del Carnegie Institution for Science di Washington e pubblicato già online sul sito della rivista Proceedings of the National Academy of Sciences, ha aggiunto una nuova tessera nel complicato puzzle evolutivo che ha caratterizzato il momento nevralgico in cui è comparso e si è affermato il cloroplasto all'interno della cellula vegetale. I cloroplasti (solo nelle cellule vegetali), insieme ai mitocondri (in tutte le cellule eucariotiche), sono organuli che hanno consentito alle cellule eucariotiche di potersi affermare definitivamente nella loro nuova complessità, alle origini probabilmente in seguito all'instaurazione di una simbiosi mutualistica tra cellule, secondo la teoria dell'endosimbiosi, sinora la più accreditata. Qualche settimana fa abbiamo visto in un post come un altro studio abbia cercato di chiarire un po' di più il meccanismo che potrebbe aver portato alla nascita del mitocondrio come organulo fondamentale per lo sviluppo della cellula eucariotica; le cellule eucariotiche vegetali, però, oltre ai mitocondri, hanno bisogno dei cloroplasti per poter svolgere interamente il processo della fotosintesi clorofilliana, importante per la produzione di zuccheri ed ossigeno. Secondo la teoria dell'endosimbiosi, i cloroplasti (similmente ai mitocondri) potrebbero essere derivati dall'instaurazione di una simbiosi tra un cianobatterio ed un antenato unicellulare non fotosintetico, all'incirca 1 miliardo e mezzo di anni fa. Tale relazione, partita come simbiosi mutualistica, nel tempo ha subito modifiche, al punto tale che parte del patrimonio genetico del cianobatterio si è trasferita nel nucleo della cellula ospite, trasformando il cianobatterio originario in un organulo, che oggi chiamiamo cloroplasto, che ancora conserva del DNA, ma da solo non è più capace di sopravvivere. In particolare, alcune delle proteine di cui ha bisogno il cloroplasto - e che sono codificate dai geni che si sono trasferiti - vengono sintetizzate nel citoplasma della cellula ospite, e successivamente trasferite nel cloroplasto. 
Il problema vero è cercare di ricostruire lo scenario entro il quale è avvenuto quest'importante salto evolutivo, ma Nowack e Grossman hanno provato a farlo, così come abbiamo visto nell'articolo di cui sopra a proposito dei mitocondri. 
I 2 scienziati hanno focalizzato l'attenzione su una specie di ameba, chiamata Paulinella chromatophora, che possiede 2 compartimenti adibiti alla fotosintesi, chiamati cromatofori (da cui il nome dell'ameba), anch'essi originatisi in tutta probabilità a partire da un'endosimbiosi con un cianobatterio, ma hanno subito un'evoluzione indipendente dai successivi cloroplasti, con una maggiore riduzione del genoma rispetto a questi ultimi, il che li rende un modello di studio più efficiente per la relativa semplicità. Più di 30 geni originariamente presenti nei cianobatteri acquisiti si sono trasferiti nel nucleo della cellula ospite, ma siccome i cromatofori sono del tutto sprovvisti dei meccanismi molecolari, tipici dei più avanzati cloroplasti, che consentono l'importazione dei prodotti proteici definitivi dal citoplasma dell'ameba, non si capiva come potessero funzionare tali geni, dal momento che i prodotti proteici finali da essi sintetizzati non potrebbero entrare in essi "già belli e pronti", in parole povere.  

Paulinella chromatophora

Gli scienziati hanno concentrato la loro attenzione in particolare su 3 di questi geni, che sono responsabili della sintesi di alcune proteine coinvolte nel processo fotosintetico, ed hanno scoperto che esse vengono sintetizzate nel citoplasma dell'ameba e poi trasportate nei cromatofori, servendosi dell'apparato del Golgi come intermediario in grado di apportare le modifiche molecolari necessarie a facilitare il transito attraverso la membrana del cromatoforo; qui giunte, le proteine, unendosi ad altre prodotte internamente dal DNA del cromatoforo, danno origine al complesso proteico finale, funzionale ed in grado di prendere parte al processo di fotosintesi.
Il coinvolgimento dell'apparato del Golgi, unitamente all'assemblaggio di proteine che richiede una sorta di "collaborazione" tra DNA dell'ex-cianobatterio e DNA del futuro eucariote, potrebbe rappresentare un ulteriore indizio a sostegno del complesso meccanismo previsto dalla teoria dell'endosimbiosi, perché dev'essere stato tutt'altro che semplice non solo inglobare un organismo, ma anche doverne "assoggettare" il metabolismo per una funzione del tutto nuova, e trasferire molecole dall'esterno all'interno della membrana del cianobatterio incluso deve aver richiesto qualche meccanismo rudimentale, quantomeno all'inizio, prima di un successivo perfezionamento che ha poi condotto alla definitiva affermazione del vero e proprio cloroplasto.Se ti affascina la storia evolutiva dei cloroplasti, leggi anche questo post, riguardante l'evoluzione del DNA plastidiale nelle piante parassite.
Nowack, E., & Grossman, A. (2012). Trafficking of protein into the recently established photosynthetic organelles of Paulinella chromatophora Proceedings of the National Academy of Sciences DOI: 10.1073/pnas.1118800109