La doppia respirazione del batterio che sfida le regole della biologia

In una sorgente calda del Parco nazionale di Yellowstone, negli Stati Uniti, un microbo fa qualcosa che la vita non dovrebbe saper fare: utilizzare ossigeno e zolfo allo stesso tempo per il proprio metabolismo
di Jake Buehler/Quanta Magazine
www.lescienze.it

Fate un respiro profondo. Un flusso d’aria si è riversato nei polmoni, dove l’ossigeno entra nel flusso sanguigno, alimentando i fuochi metabolici nelle cellule di tutto il corpo. Voi, essendo un organismo aerobico, utilizzate l’ossigeno come scintilla cellulare che libera l’energia molecolare dal cibo che mangiate. Ma non tutti gli organismi del pianeta vivono o respirano in questo modo. Invece di usare l’ossigeno per raccogliere energia, molte forme di vita unicellulari che vivono in ambienti lontani dalla portata dell’ossigeno, come le bocche idrotermali delle profondità marine o le fessure profonde e oscure del suolo, utilizzano altri elementi per respirare e liberare energia.

La separazione fisica tra i mondi ricchi di ossigeno e quelli che ne sono privi non è solo una questione di utilizzo delle risorse disponibili da parte della vita, ma è una necessità biochimica. L’ossigeno non è compatibile con le vie metaboliche che rendono possibile la respirazione con l’uso di altri elementi, come lo zolfo o il manganese. Dà la vita agli aerobi come noi, ma per molti anaerobi – le creature che respirano senza ossigeno – è una tossina che reagisce con i loro macchinari molecolari specializzati e li danneggia.

“L’ossigeno ci piace, naturalmente”, ha esordito Courtney Stairs, biologa evoluzionista dell’Università di Lund, in Svezia. “Ma in realtà è una molecola piuttosto dannosa per la maggior parte della vita sul nostro pianeta, e anche per noi stessi. Abbiamo modi per mitigare i suoi effetti negativi. Quindi non possiamo immaginare la vita senza di esso, ma in realtà la vita in sua presenza è piuttosto difficile.”

Per i primi due miliardi di anni di vita sulla Terra, gli organismi hanno evitato del tutto questa situazione. All’epoca, l’aria e gli oceani erano per lo più privi di ossigeno, quindi la vita era quasi interamente anaerobica, ovvero non respirava ossigeno. Poi, circa 2,7 miliardi di anni fa, i mari si riempirono di industriosi cianobatteri fotosintetici. Avevano inventato un modo per trasformare la luce del sole in zucchero e ossigeno, e prosperarono. Nel corso di centinaia di milioni di anni, il susseguirsi della loro respirazione riempì l’atmosfera e gli oceani di ossigeno. Questo cosiddetto Grande evento ossidativo fu una trasformazione cruciale nella biosfera e nella chimica fisica dell’atmosfera e degli oceani della Terra. In questo nuovo ambiente, la respirazione aerobica si è evoluta fino a dominare il mondo.

Un mistero persistente per i ricercatori è come la vita sia riuscita a passare dalla respirazione anaerobica a quella aerobica; tanta biodiversità microbica ha dovuto adattarsi a un mondo pieno di ciò che un tempo era una rovina biochimica. Ora gli scienziati hanno una nuova idea di come può essersi manifestata questa transizione miliardi di anni fa, ricavata da un organismo che vive oggi. Un batterio che i ricercatori hanno raccolto dal calderone di una sorgente calda del Parco nazionale di Yellowstone fa qualcosa che la vita non dovrebbe essere in grado di fare: mantiene in funzione contemporaneamente un metabolismo aerobico e uno anaerobico. Respira ossigeno e zolfo allo stesso tempo.

I risultati “ci ricordano ancora una volta quanto abbiamo tuttora da imparare sulla diversità microbica e sul metabolismo”, ha dichiarato Natalia Mrnjavac, dottoranda di microbiologia evolutiva presso l’Università Heinrich Heine di Düsseldorf in Germania, che non ha partecipato allo studio. “E per chi ama i microbi, questo è entusiasmante.”

I risultati, pubblicati all’inizio di quest’anno su “Nature Communications”, mettono in discussione le ipotesi sui limiti della respirazione cellulare e potrebbero fornire ai ricercatori e alle ricercatrici un modello per capire come la vita cammini al confine tra paradiso e veleno.

Trucchi metabolici
È noto da tempo che le forme di vita hanno evoluto modi per alternare la respirazione aerobica e anaerobica, per esempio usando quest’ultima come ultima risorsa quando i livelli di ossigeno sono bassi. Ma poiché l’ossigeno interrompe la respirazione anaerobica, molti ricercatori pensavano che le cellule non potessero crescere utilizzando entrambi i processi allo stesso tempo.

Così, quando Eric Boyd, microbiologo della Montana State University a Bozeman, e i suoi colleghi hanno scoperto documenti risalenti alla fine degli anni novanta e all’inizio del duemila che suggerivano che alcuni batteri potessero fare proprio questo, la loro curiosità si è accesa. In particolare, è stato osservato che i batteri producono solfuro, un prodotto della respirazione anaerobica, anche in presenza di ossigeno nell’ambiente. 

“È strano leggere una cosa del genere, perché mette in discussione i libri di testo e ciò che si sa essere vero del metabolismo microbico”, ha ricordato Boyd.

Boyd s’interessa a come la vita si evolve e persiste in alcuni dei luoghi più ostili dal punto di vista chimico e termico sulla Terra. Lui e il suo team studiano il mix di microbi resistenti che vivono nelle fessure tra la superficie e il mondo sotterraneo, tra cui le bocche vulcaniche e le piscine termali del Parco nazionale di Yellowstone, non lontano dalla sua università nel Montana. Lo strano microbo, che sembrava utilizzare la respirazione anaerobica anche quando l’ossigeno era disponibile, faceva al caso suo. Per saperne di più, Boyd e il suo team avrebbero dovuto esplorare il tipo di sorgenti turbolente che questo microbo preferirebbe, dove le bolle vulcaniche si mescolano con l’atmosfera ricca di ossigeno e l’acqua sotterranea priva di ossigeno.

Da una sorgente termale lungo la strada, vicino al lago Nymph, nella parte nord-occidentale del parco, hanno raccolto e isolato un ceppo denominato Hydrogenobacter RSW1. RSW1 sembrava un candidato naturale per uno studio sulla respirazione insolita. Il batterio è comune nelle sorgenti calde di origine vulcanica di tutto il mondo, dall’Islanda alla Nuova Zelanda, e può crescere con quantità di ossigeno molto limitate. Inoltre appartiene allo stesso ordine, Aquificales, dei curiosi microbi descritti nelle relazioni precedenti. I ricercatori lo hanno portato in laboratorio per poterlo coltivare e studiare il suo metabolismo.

I membri dell’équipe hanno seguito un processo di determinazione progressiva degli elementi e delle molecole con cui il ceppo batterico poteva crescere. Sapevano già che poteva utilizzare l’ossigeno, quindi hanno testato altre combinazioni in laboratorio. Quando l’ossigeno era assente, RSW1era in grado di utilizzare l’idrogeno gassoso e lo zolfo elementare – sostanze chimiche che poteva trovare in uscita da uno sfiatatoio vulcanico – e di creare come prodotto l’idrogeno solforato. Tuttavia, sebbene le cellule fossero tecnicamente vive in questo stato, non crescevano né si replicavano. Producevano una piccola quantità di energia, quanto bastava per rimanere in vita, niente di più. 

“La cellula se ne stava lì a girare a vuoto senza ottenere un reale guadagno metabolico o di biomassa”, ha detto Boyd.

Poi il team ha aggiunto di nuovo l’ossigeno. Come previsto, i batteri sono cresciuti più velocemente. Ma, con sorpresa dei ricercatori, RSW1continuava a produrre idrogeno solforato, come se stesse respirando anaerobicamente. In realtà, i batteri sembravano respirare contemporaneamente in modo aerobico e anaerobico, beneficiando dell’energia di entrambi i processi. Questa doppia respirazione si spingeva oltre rispetto a quanto riportato in precedenza: la cellula non si limitava a produrre solfuro in presenza di ossigeno, ma eseguiva contemporaneamente entrambi i processi tra loro in conflitto. I batteri non dovrebbero essere in grado di farlo.

“Questo ci ha spinto a chiederci: ‘Ok, cosa diavolo sta succedendo qui?’”, ha ricordato Boyd.

Respirare in due modi
RSW1sembra avere un metabolismo ibrido, con una modalità anaerobica a base di zolfo e allo stesso tempo una aerobica a base di ossigeno.

“La capacità di un organismo di gestire entrambi i metabolismi è davvero unica”, ha dichiarato Ranjani Murali, microbiologo ambientale dell’Università del Nevada a Las Vegas, che non ha partecipato alla ricerca. Normalmente, quando gli organismi anaerobici sono esposti all’ossigeno, le molecole dannose note come composti reattivi dell’ossigeno creano stress. “Il fatto che questo non accada è davvero interessante.”

L’équipe di Boyd ha osservato che i batteri crescevano al meglio quando utilizzavano entrambi i metabolismi contemporaneamente. Questo potrebbe essere un vantaggio per il suo ambiente unico: l’ossigeno non è distribuito uniformemente nelle sorgenti calde come quelle in cui vive RSW1. In condizioni di costante cambiamento, in cui si può essere immersi nell’ossigeno per poi vederlo scomparire, puntare su più metabolismi può essere una caratteristica altamente adattativa.

Ci sono altri microbi che sono stati osservati respirare in due modi in contemporanea: anaerobicamente con il nitrato e aerobicamente con l’ossigeno. Ma questi processi utilizzano vie chimiche del tutto diverse e, se accoppiati insieme, tendono a presentare un costo energetico per i microbi. Al contrario, il metabolismo ibrido zolfo/ossigeno diRSW1 rafforza le cellule invece di indebolirle.

Questo tipo di doppia respirazione potrebbe essere sfuggito finora perché ritenuto impossibile. “Non c’era motivo di cercare” qualcosa del genere, ha detto Boyd. Inoltre, l’ossigeno e il solfuro reagiscono in fretta l’uno con l’altro; a meno che non si stia attenti appositamente per osservare il solfuro come sottoprodotto, potrebbe sfuggire del tutto, ha aggiunto.

In effetti è possibile che i microbi con doppio metabolismo siano molto diffusi, ha spiegato Murali. L’autrice ha ricordato i numerosi habitat e organismi che esistono in corrispondenza di tenui gradienti tra aree ricche di ossigeno e aree prive di ossigeno. Un esempio è rappresentato dai sedimenti sommersi, che possono ospitare batteri “cavi” [cable bacteria – batteri filamentosi che conducono elettricità a distanza, NdR.]. Questi microbi di forma allungata si orientano in modo tale che un’estremità del loro corpo possa utilizzare la respirazione aerobica in acqua ossigenata, mentre l’altra estremità è sepolta in profondità in sedimenti anossici e utilizza la respirazione anaerobica. I batteri cavi prosperano in questa loro precaria divisione separando fisicamente i propri processi aerobici e anaerobici. Ma RSW1sembra essere multitasking mentre si muove nella sorgente in movimento.

Non si sa ancora come i batteri RSW1riescano a proteggere i loro macchinari anaerobici dall’ossigeno. Murali ha ipotizzato che le cellule possano creare al loro interno dei supercomplessi chimici in grado di circondare, isolare e “spazzare via” l’ossigeno, consumandolo rapidamente una volta che lo incontrano, in modo che non possa interferire con la respirazione basata sullo zolfo.

Secondo Boyd, RSW1e qualsiasi altro microbo dotato di un doppio metabolismo costituiscono un modello intrigante di come la vita microbica possa essersi evoluta durante il Grande evento ossidativo. 

“Dev’essere stato un periodo piuttosto caotico per i microbi del pianeta”, ha spiegato Boyd. Mentre l’ossigeno si accumulava lentamente nell’atmosfera e nel mare, qualsiasi forma di vita in grado di sopportare un occasionale contatto con il nuovo gas velenoso – o addirittura di utilizzarlo a proprio vantaggio energetico – poteva essere avvantaggiata. In quel periodo di transizione, due metabolismi potevano essere meglio di uno.