Come i cianobatteri multicellulari trasportano le molecole

I cianobatteri, noti anche come alghe blu-verdi, sono una speciale classe di batteri in grado di fotosintetizzare. In termini di storia evolutiva, sono molto antichi. I precursori sono apparsi sulla Terra 2,5 miliardi di anni fa e hanno aperto la strada alla vita superiore grazie alla loro capacità di produrre ossigeno con la fotosintesi.

Alcune specie di cianobatteri sono organismi filamentosi e multicellulari in cui esiste una certa divisione del lavoro. Alcune cellule svolgono la fotosintesi, mentre altre assorbono l'azoto atmosferico. Attraverso la fotosintesi, i cianobatteri ottengono energia sotto forma di glucosio, mentre utilizzano l'azoto per produrre aminoacidi, i mattoni delle proteine.

I cianobatteri devono affrontare il problema di come le singole cellule possano comunicare tra loro e scambiarsi sostanze. Le cellule fotosintetizzanti devono rifornire di glucosio le cellule sorelle che fissano l'azoto, mentre gli amminoacidi devono essere trasportati nella direzione opposta. I cianobatteri hanno sviluppato speciali composti cellulari per questo scopo. Questi permettono lo scambio di nutrienti e sostanze messaggere attraverso i confini cellulari senza che le cellule crescano insieme.

Struttura delucidata in un contesto cellulare

Finora si sapeva poco della struttura dettagliata e dell'esatto funzionamento delle connessioni cellulari nei cianobatteri filamentosi multicellulari. Un gruppo di ricercatori dell'ETH di Zurigo e dell'Università di Tubinga presenta ora le sottigliezze strutturali e il funzionamento delle connessioni cellula-cellula, note come connessioni settali, nel genere Cyanobacteria nel nuovo numero della rivista scientifica "Cell". Anabaena con una risoluzione ineguagliabile.

I ricercatori hanno dimostrato che i canali di collegamento sono costituiti da un tubo proteico che può essere chiuso alle due estremità con un tappo. Inoltre, questo tubo è ricoperto da elementi proteici a cinque braccia, disposti in modo simile all'apertura di una fotocamera.

I canali collegano i citoplasmi delle due cellule vicine e si estendono attraverso le rispettive membrane e pareti cellulari. Le cellule sono separate l'una dall'altra da uno spazio sottilissimo, largo pochi nanometri.

"Finora non è stato possibile chiarire questi dettagli utilizzando la microscopia elettronica convenzionale. Grazie a un'estensione della crio-microscopia elettronica, siamo riusciti a ottenere approfondimenti con una precisione senza precedenti", afferma Martin Pilhofer, professore dell'Istituto di biologia molecolare e biofisica dell'ETH di Zurigo.

Gregor Weiss, dottorando di Pilhofer, ha sviluppato un metodo per preparare i cianobatteri in modo tale da poter visualizzare i canali con la crio-microscopia elettronica. A tal fine, Weiss ha "fresato" la giunzione tra due cellule di cianobatteri congelati, strato per strato, fino a ottenere un campione sufficientemente sottile. Senza il pretrattamento, le cellule sferiche sarebbero troppo spesse per essere utilizzate nella microscopia crioelettronica.

"Sulla base della complessa struttura dei canali di collegamento, abbiamo sospettato un meccanismo che apre e chiude i canali", spiega Karl Forchhammer, professore di microbiologia all'Università di Tubinga. In effetti, lui e il suo team sono riusciti a dimostrare come le cellule dell'associazione comunichino tra loro in diverse condizioni di stress. Per farlo, hanno colorato le catene cianobatteriche con un colorante fluorescente e poi hanno sbiancato le singole cellule con un laser. I ricercatori hanno poi misurato l'afflusso del colorante dalle cellule vicine.

Con questo metodo, i ricercatori sono riusciti a dimostrare che i canali si chiudono effettivamente quando vengono trattati con sostanze chimiche o al buio. La struttura a calotta filigranata di un canale si chiude come un diaframma dell'iride e interrompe lo scambio di sostanze tra le cellule, che gli scienziati hanno riconosciuto attraverso vari gradi di fluorescenza.

Il meccanismo di chiusura protegge l'assemblaggio delle cellule

"Questo meccanismo di chiusura protegge l'intero gruppo cellulare", spiega Forchhammer. Ad esempio, può impedire che una cellula trasmetta sostanze nocive alle cellule vicine, il che potrebbe causare la morte dell'intero organismo. I cianobatteri possono anche usare i canali per evitare che il contenuto dell'intera rete fuoriesca in caso di danni meccanici alle singole cellule.

Con il loro studio, i ricercatori sono riusciti a dimostrare che le connessioni cellulari negli organismi multicellulari non imparentati sono state "inventate" più volte nel corso dell'evoluzione e si sono sviluppate in parallelo. "Questo sottolinea quanto sia importante per un organismo multicellulare essere in grado di controllare il trasporto di beni tra le singole cellule", afferma Pilhofer. Chiarendo la struttura e la funzione dei canali nei cianobatteri, i ricercatori dell'ETH hanno aggiunto un altro pezzo del puzzle al quadro generale. "Per noi, questo lavoro è una ricerca biologica di base senza un focus su una possibile applicazione. Piuttosto, i nuovi dati ci permettono di comprendere l'evoluzione degli organismi complessi", spiega l'ETH.