L’energia dei mitocondri è stata la chiave dell’evoluzione fino all’uomo

Se avete qualche reminiscenza di biologia dalle scuole superiori non potrete non ricordare quegli strani oggetti all’interno delle cellule eucariote chiamati mitocondri, che sono le microscopiche centrali elettriche che si trovano in tutte le cellule complesse. Ebbene, sembra che l’evoluzione della vita complessa (ossia l’insieme degli organismi pluricellulari) sia strettamente dipendente dai mitocondri, secondo un nuovo studio condotto dal dottor Nick Lane della UCL (University College London) e dal dottor William Martin, presso l’Università di Dusseldorf.

A differenza delle molte ricerche che escono ogni giorno – sicuramente interessanti ma molto specifiche – questa suona come uno di quegli studi destinati a scrivere le pagine dei libri di scienze. “I principi sottostanti la vita sono universali. L’energia è la chiave della vita complessa, anche se in un alveo, certamente necessario, delle innovazioni dell’evoluzione darwiniana”, ha detto il dottor Lane, del Dipartimento di Genetica, Evoluzione e ambiente dell’UCL. Per intenderci, “anche gli alieni devono avere i mitocondri.”

Da 70 anni gli scienziati hanno affermato che l’evoluzione del nucleo cellulare è stata la chiave della vita complessa. Adesso, nella ricerca pubblicata oggi sulla prestigiosa rivista Nature, Lane e Martin rivelano che i mitocondri sono fondamentali per lo sviluppo di innovazioni complesse come il nucleo, proprio a causa della loro funzione di centrali elettriche della cellula.

“Questo capovolge la visione tradizionale che il salto alle cellule ‘eucariotiche’ complesse ha semplicemente richiesto il giusto tipo di mutazioni. Piuttosto, è stata necessaria una sorta di rivoluzione industriale in termini di produzione energetica”, ha spiegato il dottor Lane.

A livello delle nostre cellule, noi esseri umani siamo più simili a funghi, magnolie e calendule ceh con i batteri. La ragione è che nelle cellule complesse come quelle di piante, animali e funghi ci sono  comparti specializzati, tra cui un centro di informazione, il nucleo, e centrali elettriche – i mitocondri. Queste cellule ‘eucariote’ sono dette a compartimenti stagni, e tutti – uomini, funghi porcini, mosche – condividono un antenato comune che è nato solo una volta, forse alle origini del nostro pianeta quattro miliardi di anni fa, forse prima e/o altrove.

Gli scienziati ora sanno che questo antenato comune, ‘il primo eucariote’, era molto più sofisticato di qualsiasi batterio noto. Aveva migliaia di geni e proteine in più di qualsiasi altro batterio, pur condividendo le altre caratteristiche, come il codice genetico. Ma cosa ha permesso agli eucarioti di accumulare tutti questi geni e proteine in più? E perché i batteri vivono bene anche senza?

Concentrandosi sull’energia disponibile per gene, Lane e Martin hanno dimostrato che una cellula eucariotica media è in grado di supportare il sorprendente nomero di 200.000 geni in più dei batteri.

“Questo fornisce il materiale genetico negli eucarioti che permette loro di accumulare nuovi geni, famiglie geniche e grandi sistemi di regolazione su una scala che è totalmente insostenibile per i batteri”, ha detto il dottor Lane. “E’ la base della complessità, anche se non è sempre un meccanismo usato.”

“I batteri sono sul fondo di una profonda voragine in un panorama fatto da livelli di energia, e non hanno mai trovato una via d’uscita”, ha spiegato il dottor Martin. “I mitocondri danno agli eucarioti da quattro a cinque ordini di grandezza più energia (da 10.000 a 100.000 volte, ndr.) per gene, il che ha permesso loro di uscire egregiamente dalla ‘crisi energetica'”.

Gli autori hanno continuato ad affrontare una seconda domanda: perché i batteri non si sono evoluti per avere anch’essi tutti i vantaggi dei  mitocondri? Essi hanno spesso fatto dei tentativi, ma non sono mai arrivati molto lontano.

La risposta sta nel minuscolo genoma mitocondriale. Questi geni sono necessari per la respirazione cellulare, e senza di loro le cellule eucariotiche morirebbero. Se le cellule diventano più grandi e più energiche, hanno bisogno di più copie di questi geni mitocondriali per rimanere in vita.

I batteri affrontano esattamente lo stesso problema. Essi possono occuparsene, facendo migliaia di copie del loro intero genoma – ben 600.000 copie nel caso del gigante delle cellule batteriche come l’Epulopiscium, un caso estremo che vive solo nelle budella di un pesce. Ma tutto questo DNA ha un costo energetico enorme, che paralizza anche i batteri giganti – e  impedisce loro di trasformarsi in eucarioti più complessi. “L’unica via d’uscita”, ha detto il dottor Lane, “è se una cellula si mette a vivere in qualche modo all’interno di un altra – e questo si chiama Endosimbiosi“.

E già, perché le cellule, normalmente, competono tra loro. Quando invece vivono all’interno di altre cellule, devono stare attente alla bolletta energetica, in quanto devono rendere conto alla cellula ospite. Nel corso del tempo, le cellule hanno perso geni inutili, finendo con l’avere solo una minuscola frazione di geni di cui hanno veramente bisogno – ecco i mitocondri!

La chiave della complessità è che questi pochi geni rimasti nei mitocondri non pesano quasi niente. CL’energia necessaria a sostenere un normale genoma battericoper replicarsi in migliaia di copie è proibitivo. Fatelo per il piccolo genoma mitocondriale e il costo è facilmente sostenibile, come indicato nella ricerca pubblicata su Nature.

“Se l’evoluzione funziona come un meccanico sempre al lavoro, allora essa usa i mitocondri come un team di ingegneri”, ha detto il dottor Martin,Infatti, questi piccoli organelli hanno trovato la strada più efficiente per risolvere il problema della produzione di energia della cellula ospite.

Il guaio è che, mentre il fenomeno di cellule che vivono all’interno di altre cellule è facilmente osservabile e comprensibile negli eucarioti, che spesso fagocitano altre cellule, esso è infinitamente più raro negli schizzinosi batteri. E questo, Lane e Martin concludeno, potrebbe spiegare perché la vita complessa – gli eucarioti – sono nati solo una volta in tutta la storia della Terra.