La strana membrana di LUCA, nostro illustre antenato

La cellula ancestrale da cui sono derivati tutti gli organismi viventi – che i biologi chiamano LUCA, da Last Universal Common Ancestor – aveva una membrana diversa da quelle delle cellule di oggi: “perdeva”.

Questa particolarità le permetteva di rifornirsi di energia sfruttando i gradienti di concentrazione di particelle cariche presenti nel suo ambiente, quello delle bocche idrotermali marine. Le pompe protoniche usate da tutte le cellule odierne si sono evolute nella colonizzazione di ambienti più “difficili”
Il primo organismo apparso sulla Terra, dal quale discendono tutte le forme di vita del pianeta – la cellula ancestrale nota con l’acronimo LUCA (Last Universal Common Ancestor) – aveva una membrana porosa. La scoperta – che permette di spiegare alcuni quesiti irrisolti della storia dell’evoluzione – è di ricercatori dell’University College di Londra, che hanno definto un modello evolutivo delle membrane degli organismi terrestri.

Il modello permette in particolare di spiegare perché i due tipi di organismi che rappresentano le forme più antiche di vita – i batteri e gli archeobatteri – abbiano membrane cellulari radicalmente diverse, e perché tutte le cellule usino lo stesso complesso meccanismo per rifornirsi di energia.
Fino agli anni settanta, si pensava che batteri e archeobatteri (o archea) costituissero un unico regno, in virtù delle molte caratteristiche condivise (come geni, proteine e meccanismi di lettura del DNA), ma poi si scoprì che le loro membrane e i meccanismi di replicazione del DNA (che dipendono dalla struttura del DNA) erano radicalmente differenti, pur discendendo entrambi da LUCA.
Schema dell’evoluzione divergente delle membrane di archea e batteri. (Cortesia Victor Sojo et al.)

Secondo la ricostruzione di Victor Sojo, Nick Lane e colleghi – descritta in un articolo su “PLoS Biology”, l’organismo ancestrale sarebbe vissuto in prossimità delle bocche idrotermali degli antichi mari (note anche come fumarole nere, o black smoker), un ambiente in cui le calde acque alcaline, povere di protoni, che fuoriescono si mescolano alle acque oceaniche più ricche di protoni.
LUCA sfruttava la differenza di concentrazione dei protoni in questi due ambienti per procurarsi l’energia necessaria alla produzione di adenosintrifosfato (ATP), la molecola che ancora oggi alimenta la crescita delle cellule. Questo meccanismo funziona, però, solo se la cellula è dotata di una membrana “porosa”, permettendo un flusso naturale di protoni sia in entrata, sia in uscita.

Per colonizzare ambienti differenti dalle fumarole, LUCA ha però dovuto adattare la sua membrana in modo da pompare attivamente i protoni fuori dalla cella e consentire il flusso di protoni e la produzione dI ATP. Lo studio suggerisce che batteri e archeobatteri abbiano sviluppato strutture della membrana cellulare e pompe protoniche completamente differenti, pur mantenendo gli stessi macchinari per alimentare la crescita. Ciò spiega anche perché i due tipi di organismi differiscano per tratti fondamentali che dipendono dalla membrana, come appunto la replicazione del DNA.