Nel ventesimo secolo, la biologia molecolare ha stabilito che tutti gli organismi viventi condividono le stesse macromolecole portatrici di informazioni (DNA, RNA e proteine), e lo stesso codice genetico per trasferire informazioni tra queste molecole. Questa unità del mondo vivente indica un’origine comune, un antenato che aveva tutte queste caratteristiche. Come un cenno a Lucy, l’antenato comune è stato soprannominato LUCA (acronimo di Last Universal Common Ancestor) durante un simposio internazionale organizzato in Francia dalla Fondation des Treilles nel 1996. Utilizzando i dati della genomica comparata, una disciplina allora emergente basata sul sequenziamento di organismi appartenenti ai tre domini del mondo vivente (archei, batteri ed eucarioti), questa comunità di ricerca si è proposta di ricostruire le caratteristiche del LUCA. L’anno scorso, un nuovo forum si è tenuto alla Fondation des Treilles per celebrare il ventesimo anniversario della denominazione di LUCA, rivedere i dati raccolti dal 1996 e abbozzare un primo profilo di questo antenato.
Per prima cosa bisogna chiarire un equivoco frequente: LUCA, che ha vissuto più di tre miliardi di anni fa, non è stata la prima cellula ad apparire sul nostro pianeta. La genomica comparativa ha dimostrato l’esistenza di tre molecole di RNA e 34 proteine ribosomiali1 comuni a tutti gli organismi viventi e quindi anche a LUCA. Data la loro complessità, queste molecole potrebbero essere apparse solo dopo un lungo periodo di evoluzione. LUCA deve quindi aver condiviso il pianeta con molti altri organismi risultanti da questo stesso arco di tempo. Tuttavia, i suoi contemporanei non hanno lasciato discendenti, il che non vuol dire che non ci abbiano tramandato alcuni geni, proprio come hanno fatto i Denisovani e i Neanderthal con i nostri antenati Homo sapiens. Si può anche fare un parallelo tra LUCA ed Eva africana, l’ultima madre comune a tutte le donne moderne: Eve non è stata nemmeno la prima donna Homo sapiens, né viveva da sola in Africa all’epoca.
Due rami, stesso albero
La genomica comparativa nei ribosomi ha anche rivelato che, oltre alle 34 proteine universali, i ribosomi moderni contengono un gran numero di proteine uniche per batteri, archei e/o eucarioti. Una delle loro notevoli caratteristiche è che sono o specifiche di uno dei tre domini, o condivise da archaea ed eucarioti. Nel corso dell’evoluzione, queste proteine sono state quindi acquisite in due lignaggi separati: uno che va dai LUCA ai batteri, e l’altro dai LUCA agli archei e agli eucarioti.
LUCA’s ribosomes were therefore less complex than modern ones, with around half the number of proteins. In generale, il confronto dei meccanismi molecolari negli archei e nei batteri ha dimostrato che, in ogni caso, questi processi devono essere stati considerevolmente più semplici in LUCA che nelle cellule moderne, e che la crescente complessità è avvenuta indipendentemente nei batteri da un lato, e negli archei e negli eucarioti dall’altro.
LUCA probabilmente non aveva i complessi molecolari ultra sofisticati che si trovano negli organismi moderni, che per esempio permettono loro di produrre energia in modo molto efficiente. Allo stesso modo, il suo genoma era probabilmente ancora composto da RNA, ed è possibile che il DNA e i suoi meccanismi di replicazione siano apparsi due volte indipendentemente, forse da linee virali molto antiche. La presenza di virus ai tempi di LUCA è testimoniata oggi dall’esistenza di grandi famiglie di virus i cui membri infettano batteri, archei o eucarioti.
Un antenato freddo (o tiepido)
La scoperta di archei che vivono a temperature molto elevate ha inizialmente suggerito che LUCA stesso fosse un ipertermofiloFermerGli ipertermofili sono arche la cui temperatura ottimale di crescita è uguale o superiore a 80°C (definizione del microbiologo tedesco Karl Stetter, che fu il primo a descrivere la maggior parte di questi microrganismi). La ricostruzione di alcune delle sue sequenze ancestrali da parte di un’équipe del CNRS di Lione guidata da Manolo Gouy2 ha dimostrato che probabilmente non era così. Tuttavia, il lavoro dello stesso team dimostra che gli antenati sia dei batteri che degli archaea vivevano ad alte temperature. Come potrebbe allora un LUCA freddo (o tiepido) essersi evoluto negli antenati caldi dei batteri e degli archaea? Ho avanzato l’idea che gli organismi di entrambi i domini potrebbero essersi sviluppati nelle loro forme attuali adattandosi a temperature sempre più alte. Questo passaggio potrebbe quindi aver giocato un ruolo cruciale nella formazione del mondo vivente che conosciamo oggi.
We have yet to understand the emergence of eukaryotes, organisms whose cells—unlike archaea and bacteria—have a nucleus and organelles such as mitochondria (responsible for respiration) and chloroplasts (responsible for photosynthesis). Un’ipotesi popolare postula che gli eucarioti discendono da un arcaico che, per endosimbiosi, ha assimilato il batterio da cui derivano i mitocondri. Nel 2015, un team svedese ha annunciato la scoperta del Lokiarchaeota, che potrebbe essere l’anello mancante tra gli archei e gli eucarioti. Il lavoro del nostro team ha tuttavia dimostrato che questa conclusione era falsata da diversi artefatti metodologici. Preferiamo la teoria che gli eucarioti non discendano direttamente dagli archei, ma che condividano un antenato comune con loro. Alcune caratteristiche degli eucarioti potrebbero quindi essere esistite nei LUCA e successivamente essere state perse negli archaea e nei batteri.
Senza una macchina del tempo, tracciare un ritratto della LUCA e determinare la forma dell’albero universale della vita rimarrà a lungo una questione controversa. Tuttavia, il flusso costante di dati freschi dalla genomica comparativa restringe sempre più i possibili scenari.
Le analisi, i punti di vista e le opinioni espresse in questa sezione sono quelle degli autori e non riflettono necessariamente la posizione o le politiche del CNRS.
- 1. I ribosomi sono componenti cellulari molto complessi, che sintetizzano le proteine utilizzando le informazioni trasportate dall’RNA o dal DNA.
- 2. Laboratoire de biométrie et biologie évolutive (CNRS / Univ. Claude-Bernard / VetAgro Sup / Hospices civils de Lyon / Inria).