Deep Branching of Archaea: A Phylogenomic Study Using Five Universal Protein Markers

La vita sulla Terra è spesso immaginata come un grande albero genealogico, in cui ogni creatura, dal più minuscolo microbo all'albero più alto, traccia la propria linea di discendenza da un unico antenato comune. Per decenni, i biologi hanno organizzato questa vasta storia in tre rami principali, o domini: Bacteria, le forme di vita più comuni e diffuse; Archaea, antichi microbi che si trovano spesso in ambienti estremi come le sorgenti termali; ed Eukaryota, la vita complessa che include piante, animali e funghi. Questa divisione in tre parti, stabilita osservando le istruzioni genetiche all'interno delle cellule, è stata il modo standard per comprendere come la vita si sia evoluta. Tuttavia, una domanda profonda e persistente rimane: quale di questi tre rami è il più antico e come si sono separati esattamente l'uno dall'altro? Nello specifico, la vita complessa si è evoluta all'interno del mondo batterico, o è emersa dalla antica linea archeale? Risolvere questo punto non è solo una questione di catalogazione di nomi; si tratta di comprendere la radice stessa della nostra storia biologica e come siano state le prime cellule complesse.

Un team di ricercatori dell'Università di Gujrat in Pakistan si è proposto di rivisitare questa domanda fondamentale utilizzando un approccio moderno chiamato filogenomica. Invece di affidarsi a un singolo tipo di marcatore genetico, hanno raccolto dati da cinque proteine specifiche e universali presenti in tutti gli esseri viventi. Queste proteine, che agiscono come il macchinario molecolare per costruire le cellule e copiare il codice genetico, sono così essenziali che sono cambiate molto lentamente nel corso di miliardi di anni, preservando un chiaro registro della storia evolutiva. Il team ha raccolto sequenze genetiche per queste cinque proteine da 111 diverse specie appartenenti ai tre domini. Dopo aver filtrato questi dati per garantire di avere informazioni complete per ogni specie, hanno ristretto il campo a un gruppo finale di 35 organismi. Hanno poi cucito insieme le sequenze di queste cinque proteine in una mappa genetica massiccia e continua, creando un dataset super dettagliato contenente quasi 7.000 singoli mattoni di informazione.

Per dare un senso a questo enorme dataset, i ricercatori hanno utilizzato un algoritmo informatico progettato per trovare il percorso evolutivo più probabile, raggruppando gli organismi in base alla somiglianza delle loro sequenze proteiche. Hanno eseguito questa analisi 100 volte con lievi variazioni per garantire che i risultati non fossero un semplice caso fortuito, un processo che fornisce una misura statistica di fiducia nota come valore di bootstrap. I risultati ottenuti sono stati sorprendenti e hanno sfidato la visione tradizionale dell'albero della vita. L'analisi ha collocato il dominio degli Archaea, rappresentato nel loro studio da una specie chiamata Thermococcus pelagicus, come il primo ramo a separarsi dall'antenato comune di tutta la vita. In questa nuova immagine, l'Archaea è il dominio più antico, divergendo prima che gli antenati dei Bacteria e degli Eukaryota si separassero l'uno dall'altro.

Forse ancora più sorprendente è stata la collocazione della vita complessa. Nell'albero costruito dai ricercatori, i rappresentanti degli Eukaryota, che includevano una specie di lievito e una pianta di mais, non stavano separatamente come un ramo distinto ed equo. Al contrario, sono stati trovati annidati profondamente all'interno del gruppo dei Bacteria. Questa disposizione suggerisce che, basandosi su questi specifici marcatori proteici, la linea evolutiva che porta alla vita complessa è più strettamente legata al ramo batterico che a quello archeale. Il supporto statistico per questo albero era estremamente forte, con un livello di confidenza medio del 95,2 percento. Su 33 distinti punti di ramificazione dell'albero, 30 erano supportati da un punteggio di confidenza pari o superiore al 70 percento, e 25 di quelli erano supportati al livello massimo del 100 percento. Solo due piccoli rami mostravano una confidenza inferiore, indicando che, sebbene il quadro generale sia chiaro, alcune relazioni specifiche rimangono leggermente incerte.

I ricercatori hanno anche esaminato la composizione chimica delle proteine stesse per vedere se i tre domini avessero firme distinte. Analizzando la frequenza dei diversi amminoacidi, i mattoni delle proteine, hanno scoperto che Archaea, Bacteria ed Eukaryotes possedevano ciascuno un'impronta digitale chimica unica. Questa separazione ha confermato che i tre gruppi sono effettivamente distinti, anche se le loro relazioni evolutive appaiono diverse da quanto precedentemente pensato. Il team ha osservato che i loro risultati non si allineano pienamente con l'ipotesi dei "Tre Domini", che tratta tutti e tre i gruppi come linee di discendenza separate ed eguali, né supportano l'ipotesi "Eocyte", la quale suggerisce che la vita complessa si sia evoluta direttamente da un gruppo specifico di Archaea. Al contrario, i dati hanno indicato uno scenario in cui la vita complessa potrebbe essere emersa da un antenato batterico, possibilmente attraverso un processo in cui una cellula batterica ha inglobato un'altra, portando infine alle cellule complesse che vediamo oggi.

Sebbene i risultati siano robusti, gli autori sono cauti nell'ammettere i limiti del loro studio. L'analisi finale si è basata su soli 35 specie, una piccola frazione degli 111 inizialmente esaminati, poiché avevano bisogno di dati genetici completi per tutte e cinque le proteine. Hanno inoltre notato che il metodo informatico utilizzato, pur essendo veloce ed efficace, non è potente quanto altre tecniche statistiche avanzate disponibili oggi. Inoltre, lo studio si è concentrato su un set specifico di cinque proteine, e l'inclusione di più specie e di diversi marcatori genetici in ricerche future potrebbe affinare queste conclusioni. Tuttavia, l'alto livello di accordo statistico nei loro dati suggerisce che la collocazione dell'Archaea come ramo più profondo e l'annidamento degli Eukaryotes all'interno del gruppo batterico sia un risultato solido basato sulle prove esaminate. Questo lavoro aggiunge un nuovo, avvincente capitolo alla storia continua delle origini della vita, esortando gli scienziati a guardare di nuovo alle profonde connessioni tra le forme più semplici e quelle più complesse del nostro pianeta.