domenica 14 agosto 2011

L'unione fa la forza: la collaborazione per le risorse alle origini della pluricellularità?

Prima di un'importante scoperta fossile recente, si pensava che il passaggio da organismi unicellulari a forme pluricellulari fosse avvenuto all'incirca 500 milioni di anni fa, sulla base di estesi giacimenti fossili precedentemente noti. Oggi sappiamo che lo sviluppo della pluricellularità è ben più antico e va retrodatato di almeno 1 miliardo e mezzo di anni, collocandosi pertanto intorno ai 2 miliardi di anni fa. Questo vuol dire che il passaggio verso forme di vita più complesse ed organizzate è avvenuto molto prima di quanto noi potessimo supporre, non appena l'ossigenazione dell'atmosfera del nostro pianeta l'ha consentito. 
E se questo è vero, dev'esserci una qualche ragione. In effetti, noi umani sappiamo bene che l'unione fa la forza: qualsiasi società, azienda, organizzazione, non riuscirebbe ad essere portata avanti da una singola persona, ma un sano spirito collaborativo, insieme ad un po' di competizione, ci consentono di mettere insieme le nostre forze per ottimizzare i guadagni. 
Volvox
Allora potrebbe essere che questo principio l'abbiano "capito" anche i primi, radi, sperimentatori di forme di vita a più cellule? Se si getta un'occhio verso quelli che attualmente sono annoverati tra i prototipi della pluricellularità, come ad esempio l'alga verde coloniale Volvox, si vede come le cellule algali siano interconnesse tramite citoplasma e come siano specializzate nello svolgere compiti diversi in maniera efficiente.
Sicuramente, però, non si può dire che questi primi pluricellulari siano nati dalla consapevole volontà di unicellulari di riunirsi! Dev'esserci stato qualche motivo che, per caso e necessità, ha spinto una manciata di cellule a raggrupparsi nell'ambito di un esperimento che si è poi rivelato vantaggioso. Il problema dei ricercatori di oggi è capire quale potrebbe essere stata la condizione ambientale che ha fatto scattare questa molla, ed è tutt'altro che banale. Delle cellule potrebbero essersi riunite ad esempio perché confinate in gruppetti isolati per una ragione x e, così costrette, hanno messo in atto meccanismi biologici tali da favorirle rispetto al resto proteggendosi a vicenda; oppure potrebbero esserci state divisioni cellulari incomplete ma conservatesi perché utili a favorire lo scambio di sostanze nutrienti; oppure potrebbero essersi scontrate accidentalmente e, constatando che riuscivano a scambiarsi sostanze nutrienti, hanno preferito non separarsi più. Sto sparando delle ragioni a caso ^__^, ma è per far capire la difficoltà nel formulare un'ampia gamma di ipotesi al riguardo. 
Saccharomyces cerevisiae
Recentemente su PLoS Biology è stato pubblicato un articolo inerente ad uno studio condotto da un team di scienziati su organismi unicellulari, che hanno allestito una serie di esperimenti per capire quali potrebbero essere le motivazioni tali da spingere un gruppo di cellule a cooperare e dare vita a nuove potenziali forme di vita più complesse e meglio organizzate. I ricercatori sono partiti dal considerare che il comune lievito di birra (Saccharomyces cerevisiae) non è in grado di utilizzare il saccarosio come fonte zuccherina alimentare, bensì è costretto a scomporlo nei due componenti monosaccaridici fruttosio e glucosio, in modo tale da poter poi assimilare ed utilizzare quest'ultimo. Se una cellula di lievito si trova in un ambiente la cui unica fonte glucidica è il saccarosio, allora essa è costretta a scomporlo grazie ad un enzima, chiamato invertasi. Inoltre, sono molto diffuse varietà di lievito che, in seguito a eventi riproduttivi, tendono a restare uniti tramite citoplasma a causa di divisioni cellulari incomplete: la più semplice forma di pluricellularità.
Cellule indivise
I ricercatori hanno organizzato una serie di esperimenti in cui hanno messo a confronto gruppi di cellule di lievito tra loro unite con gruppi di cellule separate composti esattamente dallo stesso numero di individui; entrambi i gruppi erano capaci di sintetizzare l'enzima invertasi ed entrambi sono stati immersi in un mezzo avente come unica fonte di nutrimento il saccarosio. Ci si aspetterebbe una situazione equivalente, in termini di analisi costi/benefici, ma gli esperimenti hanno rivelato che non c'è paragone: a parità di numero di cellule, il sistema multicellulare funziona di gran lunga meglio. Con analisi approfondite, gli studiosi hanno potuto verificare che nei gruppi multicellulari di lieviti c'è un gradiente di concentrazione di nutrienti e di produzione enzimatica: più si va verso le cellule centrali del gruppo, maggiore è la concentrazione di glucosio e di invertasi. Le cellule singole, infatti, non sono molto efficienti nella scomposizione del saccarosio ed assimilazione del glucosio, per cui molte molecole di quest'ultimo tendono facilmente a fuoriuscire dal citoplasma. Se però le cellule sono connesse tra loro, la situazione può cambiare molto: con gruppi di individui che in sincronia e sintopia fanno lavorare l'invertasi, la concentrazione di saccarosio scomposto nell'ambiente aumenta in fretta e, inoltre, se anche una parte di glucosio sfugge al citoplasma di una cellula, finisce in quello di una cellula adiacente, che quindi avrà maggiori opportunità di nutrirsi. Di conseguenza, si innesca un meccanismo a feedback positivo, per cui tali cellule ben nutrite avrebbero energia sufficiente per produrre nuova invertasi e, quindi, collaborare sinergicamente per rendere disponibile nuove quantità di zuccheri. Ciò dimostra che una collaborazione tra cellule può effettivamente contribuire a selezionare positivamente dei timidi tentativi di pluricellularità, ma gli studiosi hanno anche allestito un altro tipo di esperimento, per analizzare qualche variabile in più.
Esistono  mutazioni genetiche che rendono alcuni lieviti incapaci di sintetizzare l'enzima invertasi, ma non per questo meno capaci di assorbirlo dall'ambiente circostante. Gli scienziati hanno così pensato di mettere a contatto da una parte lieviti singoli incapaci di produrre invertasi (in rosso) con gruppi di lieviti pluricellulari e capaci (in verde); dall'altra lieviti incapaci di produrre invertasi con lieviti unicellulari separati. Anche in questo caso si è rivelato molto più efficiente il gruppo di cellule indivise rispetto a quelle divise, nel fronteggiare la competizione. Infatti se un lievito non è in grado di idrolizzare il saccarosio, risparmia l'energia richiesta per produrre l'invertasi, ma ha bisogno necessariamente di qualcun altro che lo faccia al posto suo! A parità di condizioni, i lieviti che restano uniti riescono a reggere la competizione molto meglio, perché il costo nella produzione di invertasi è controbilanciato dal guadagno di zuccheri dipendente dal flusso citoplasmatico intercellulare di nutrienti, che a sua volta favorisce la produzione di nuova invertasi.
Sicuramente questo affascinante studio rappresenta un'evidenza di come la cooperazione tra cellule singole possa rappresentare un'importante molla verso lo sviluppo di sistemi biologici meglio organizzati, e questa volta si tratterebbe di un mutuo aiuto finalizzato a sfruttare nel migliore dei modi le risorse disponibili nell'ambiente. Potrebbe essere un modello utile a chiarire qualcosa in più su un salto evolutivo di notevole importanza, ma sarebbe davvero riduttivo credere che sia stata soltanto questa la condizione che avrebbe favorito la nascita della pluricellularità. E' assai probabile che i pluricellulari si siano affermati in tempi e luoghi distinti, e per ragioni distinte, e sarebbe davvero stupefacente se riuscissimo a scoprirne di nuove.

H. Koschwanez, J., R. Foster, K., & W. Murray, A. (2011). Sucrose Utilization in Budding Yeast as a Model for the Origin of Undifferentiated Multicellularity PLoS Biology, 9 (8) DOI: 10.1371/journal.pbio.1001122