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Breve storia dell’Universo, del Sistema Solare e del terzo pianeta…
L’Universo che conosciamo si è originato 13.7 miliardi di anni fa tramite un evento esplosivo di singolarità iniziale (“Big Bang”), i cui effetti sono ancora in corso (“espansione”)
- Nel superammasso di galassie (supercluster) Laniakea, all’interno della galassia Via Lattea (braccio di Orione), una grande nebulosa stellare contenente una o più supernove (“ Madre del Sole ”) è esplosa e collassata circa 5 miliardi di anni fa
- Il collasso ha formato al centro una nuova stella (“ Sole ”) circondata da un disco di accrezione dal quale si sono originati 8 pianeti, 5 pianeti nani, 472 satelliti, 3406 comete e 707664 asteroidi
- Il terzo pianeta di questo sistema (Sol 3, chiamato Terra) si è formato 4.6 miliardi di anni fa
La Terra (Sol 3) è popolata da forme di vita
Quando è apparsa la vita su Sol3?
Fino a poco tempo fa, le rocce più antiche conosciute che presentavano chiari segni fossili di attività di microorganismi (depositi biotici di carbonati, o "stromatoliti") erano ritenute quelle di Shark Bay (Australia occidentale) datate 3.5 miliardi di anni fa Questa data è ancora riportata in alcuni testi scolastici e universitari, ma….
Retrodatazione di almeno 200 milioni di anni dell’origine della vita sulla Terra (2016) Nel 2016 è stato pubblicato online un articolo sulla prestigiosa rivista "Nature" che retrodata l’origine della vita sulla Terra a 3.7 miliardi di anni fa
Nutman e collaboratori hanno studiato alcune rarissime rocce sedimentarie della formazione Isua Greenstone Belt (Groenlandia), portate alla luce dallo scioglimento dei ghiacci e datate tra 3.8 e 3.7 miliardi di anni fa Queste rocce hanno tracce fossili di attività di microorganismi chiaramente simili a quelli delle stromatoliti
Le strutture stromatolitiche trovate nelle rocce di Isua Belt, straordinariamente simili a quelle dell’Australia occidentale, provano che la produzione di depositi carbonatici da parte di microorganismi avveniva già 3.7 miliardi di anni fa (e forse ancora prima) Questi dati sono in accordo con recenti analisi filogenetiche molecolari secondo le quali i primi organismi viventi sarebbero apparsi sulla Terra più di 4 miliardi di anni fa
•La vita su Sol 3 è quindi comparsa circa 3.7 miliardi di anni fa
•I primi ominidi (Australopiteci) sono apparsi sul pianeta solo 4 milioni di anni fa ed il genere Homo è apparso solo 2.5 milioni di anni fa
Se l’esistenza della Terra(4.6 miliardi di anni)fosse un giorno di 24 ore gli esseri umani sarebbero apparsi sul pianeta solo 1 minuto e 17 secondi prima del termine della giornata! Quasi tutte le altre forme di vita sono quindi comparse sul pianeta PRIMA degli esseri umani
Cosa si intende per “vita”?
•Un essere vivente è una unità organizzata(antientropica), dotata di genoma, caratterizzata da metabolismo(trasformazione di materia e di energia) e capace di riprodursi e di evolversi
Vita=genoma, metabolismo, riproduzione ed evoluzione
Ipotesi accreditata sull’origine della vita sulla Terra:
- La vita si è evoluta a partire da molecole semplici, prima inorganiche e poi organiche
- Queste molecole si sono inizialmente combinate e modificate in ambiente acquatico
- E’ probabile che materiali trasportati da meteoriti e comete(quindi di origine extraterrestre) abbiano contribuito in modo significativo all’evoluzione molecolare prebiotica
- L’evoluzione chimica ha quindi preceduto l’evoluzione biologica
- Esperimenti di Stanley Miller e Harold Urey
L’atmosfera primitiva della Terra era molto diversa da quella attuale
Un contributo fondamentale alla formazione dell’atmosfera primitiva della Terra è stato fornito dall’intensa attività vulcanica primordialee dal bombardamento di meteoriti
L’atmosfera primitiva della Terra si è originata dalle intense attività vulcaniche di superficiee dalla caduta incessante di meteoriti nel primo miliardo di anni di esistenza del pianeta I primi vulcani emanavano idrogeno, vapore acqueo, metano, ammoniaca, anidride carbonica e solfuri Le meteoriti apportavano composti di carbonio L’atmosfera primitiva era tossica, riducente e quasi priva di ossigeno
Ipotesi sulla formazione di molecole organiche e composti complessi a
partire da molecole inorganiche
(evento risalente a circa 3.7 miliardi di anni fa)
-I vulcani hanno avuto un ruolo fondamentale nell’origine e nel mantenimento della vita sulla Terra
-In seguito la vita stessa ha modificato l’atmosfera e si è ampiamente evoluta sul pianeta
Storia dell’atmosfera terrestre:il Grande Evento di Ossigenazione
Circa 2 miliardi di anni fa (Archeano) l’evoluzione della fotosintesi ossigenica da parte dei cianobatteriha riversato ossigeno nell’atmosfera, cambiandone radicalmente la composizione
Gli organismi viventi sono caratterizzati da un genoma, da un metabolismo ed inoltre da riproduzione, motilità ed evoluzione
Come catalogare la biodiversità della vita sulla Terra?
Sul pianeta vivono circa 2.5 milioni di specie diverse (e probabilmente altrettante che ancora non conosciamo)
Tutte le forme di vita sul pianeta sono riconducibili a 3 “Domini”, suddivisi in 6 gruppi principali, detti “Regni”
6 Regni
La catalogazione dei viventi all’interno dei Domini e dei Regni impiega una serie di categorie tassonomiche basate sulla filogenesi (cioè sui rapporti evolutivi tra gli organismi)
I 6 Regni e 3 Domini di organismi viventi sulla Terra sono riconducibili a solo due tipi di cellule:
PROCARIOTI Archeobatteri, Eubatteri
EUCARIOTI Protisti, Funghi, Piante, Animali
Organismi unicellulari e pluricellulari Procarioti unicellulari: Archeobatteri, Eubatteri Eucariotiunicellulari: Protisti Eucariotipluricellulari: Funghi, Piante, Animali
Procarioti ed Eucarioti sono legati tra loro da complessi rapporti evolutivi ma gli organismi ancestrali da cui sono derivate tutte le attuali forme di vita erano Procarioti
studia le caratteristiche della cellula eucariotica e procariotica
Origine della cellula eucariotica per endosimbiosi:
la teoria di Lynn Margulis(1974)
Endosimbiosi I: compartimentazione di membrana e isolamento del DNA
- la prima tappa è stata probabilmente la perdita della parete cellulare
- la ripetuta invaginazione del plasmalemma ha provocato un aumento di superficie permettendo un tasso maggiore di assorbimento di sostanze nutritive dall’ambiente circostante
- si sono formate le membrane interne associate ai ribosomi, alcune delle quali hanno circondato il DNA
- il DNA si è associato alla membrana di una vescicola dando origine al precursore del nucleo - Formazione del citoscheletro (filamenti di actina e microtubuli) – i primitivi vacuoli alimentari si sono trasformati in lisosomi utilizzando gli enzimi prodotti da un rudimentale reticolo endoplasmatico
- il flagello pienamente sviluppato costituisce un organo di propulsione
Endosimbiosi II: origine degli organelli eucariotici, probabilmente tramite fagocitosi e/o parassitismo…
La relazione tra una cellula fagocitante e la sua preda procariotica (oppure tra un procariota parassita ed il suo ospite) si è infine stabilizzata come simbiosi
…acquisizione di Procarioti (eubatteri e cianobatteri) tramite simbiosie formazione degli organelli
- i perossisomi potrebbero essersi formati in seguito all’endocitosi di procarioti dotati di capacità detossificanti
- i mitocondri si sono evoluti per endocitosi di procarioti e hanno permesso di produrre ATP
- l’endocitosi di cianobatteri ha portato all’evoluzione dei cloroplasti che forniscono alla cellula i mezzi per produrre le sostanze organiche a partire dall’energia solare
L’origine della cellula eucariotica per endosimbiosi ha permesso
l’evoluzione e la diversificazione dei sei Regni di viventi sulla Terra
Eucarioti pluricellulari:Piante, Funghi, Animali
Eucarioti unicellulari: Protisti
Procarioti (unicellulari):Archaea
Eubacteria (Batteri)
La molecola più preziosa dell’universo: l’acqua ed i suoi fondamentali legami:
-Legame idrogeno
-Legame covalente polare
La reazione di esterificazione tra il glicerolo e gli acidi grassi collega l’ossigeno dei gruppi alcolici del glicerolo al carbonio del gruppo carbossilico dell’acido grasso
Fosfolipidi e “barriera idrofoba”
Se al glicerolo si legano due catene di acidi grassi e una terza molecola (piccola e polare) contenente fosfato, si ottengono i fosfolipidi
I lipidi di membrana si dispongono in un doppio strato, con le regioni apolari o ‘‘code’’ (idrofobe) al centro e le ‘teste’ polari (idrofile) in superficie In questo modo si forma una ‘‘ barriera idrofoba ’’ nella parte centrale della membrana biologica
La “barriera idrofoba” formata dall’associazione dei fosfolipidi è alla base della struttura delle membrane biologiche ma un altro componente fondamentale della membrana è costituito dalle proteine
Modello di Singer - Nicholson (o modello a “mosaico fluido”) della membrana cellulare
Le membrane biologiche sono state infatti descritte come “isole” di proteine in un “mare” di lipidi in continuo movimento
Oltre ai lipidi a struttura lineare, esistono anche lipidi ciclici di grande importanza biologica
Un lipide ciclico, il colesterolo, svolge un ruolo molto importante nella membrana cellulare. Il colesterolo regola infatti la stabilità strutturale e la fluidità delle membrane, interagendo con i fosfolipidi
I Glucidi: polialcoli polari e fonti di energia
Sono molecole contenenti C, H, O
polialcoli polari (-oso, -osi)
Un esoso: I pentosi: Il glucosio ribosio e desossiribosio Formula C 6 H 12 O (^6)
I glucidi semplici (monosaccaridi) formano catene a due glucidi (disaccaridi) o a molti glucidi (polisaccaridi)
Nelle molecole dei glucidi si possono trovare gruppi contenenti fosfato, o gruppi contenenti azoto in forma amminica (amminozuccheri)
Un esempio di amminozucchero è l’N-acetilglucosammina, il cui polimero, la chitina , è il secondo polisaccaride più diffuso sul pianeta(il primo è l’amido)
I peptidoglicani, polisaccaridi della parete cellulare nei batteri:
- I peptidoglicani (o mureine) sono polimeri di due amminozuccheri, N- acetilglucosammina(NAG) e acido N-acetilmurammico(NAM) collegati tra loro mediante oligopeptidi
- Sono esclusivi della parete cellulare degli Eubatteri
Gli Amminoacidi e le proteine
Contenenti C, H, O, N Legame peptidico (o carboammidico) tra C e N
Formazione del legame peptidico tra due amminoacidi: Tramite la reazione di condensazione, si forma un legame covalente (‘‘legame peptidico’’) con delocalizzazione parziale degli elettroni, che conferisce una notevole stabilità
Le quattro strutture delle proteine •Struttura primaria: catena di amminoacidi legati tra loro dal legame peptidico
•Struttura secondaria: a-elica oppure ripiegamento b
•Struttura terziaria: avvolgimento della proteina singola (monomero)
•Struttura quaternaria: associazione di due o più proteine (subunità)
Denaturazione e rinaturazione delle proteine
Gli agenti denaturanti possono distruggere la struttura secondaria e terziaria di una proteina con la conseguente perdita dell’attività biologica di questa
Talvolta una proteina può riassumere la struttura terziaria con il ripristino dell’attività biologica (rinaturazione), tuttavia spesso la denaturazione è un processo irreversibile
Le proteine hanno moltissimi ruoli biologici: uno dei più curiosi è quello delle chaperonine (o proteine “chaperon”) che aiutano il ripiegamento di altre proteine e le proteggono da legami inappropriati
Nucleotidi: componenti degli acidi nucleici
Composti contenenti C, H, O, N
Basi azotate: componenti dei nucleotidi
Pirimidine: citosina, timina, uracile Purine: adenina, guanina
Nucleotidi: una base azotata, un pentoso e un gruppo fosfato. Il gruppo fosfato
I Procarioti (Eubatteri ed Archea) si riproducono per scissione binaria: il DNA circolare si replica e si separa in due molecole, poi si separano anche la membrana plasmatica e il citoplasma, ricostruendo la parete batterica attorno alle due cellule figlie. Gli Eubatteri possiedono anche una forma primitiva di riproduzione sessuata(detta ‘‘coniugazione’’) in cui avviene un trasferimento di genida una cellula all’altra tramite sottili protuberanze (‘‘pili’’)
Suddivisione degli Eubatteri:
Gram-positivi: -a basso contenuto in guanina e citosina (GC) nel DNA ( Firmicutes ) -ad alto contenuto in GC nel DNA ( Mollicutes )
Gram-negativi: -Spirochete -Cianobatteri -Adobatteri -Ipertermofili -Proteobatteri
Spirochete (Spirochaetae)
Batteri Gram-negativi con filamenti assiali nella membrana periplasmica (“endoflagelli”) che determinano un veloce movimento a spirale Molte spirochete sono chemioeterotrofe e conducono vita libera, ma alcune provocano malattie gravi come la sifilide o la malattia di Lyme
Cianobatteri (“alghe verdi-azzurre”)
Importantissimi procarioti autotrofi , i primi a sviluppare la fotosintesi ossigenica che ha arricchito di O2 l’atmosfera del pianeta, circa 1.7 miliardi di anni fa
Alcune specie formano colonie filamentose e sono in grado di fissare l’azoto atmosferico, riducendolo a ione ammonio tramite cellule specializzate (“ eterocisti ”) Non a caso, la struttura di un tipico cianobatterio è molto simile a quella di un cloroplasto: sono infatti questi procarioti fotosintetici che per endosimbiosi secondaria hanno originato l’organello. Nelle eterocisti avviene la fissazione dell’azoto atmosferico da parte dell’enzima nitrogenasi , che richiede condizioni quasi anossiche per il suo funzionamento L’eterocisti è una cellula specializzata per la fissazione di azoto tramite la nitrogenasi, che è inattivata dall’ossigeno L’eterocisti si differenzia a partire da una normale cellula, spostando i tilacoidi (“honeycomb”) e rinforzando la membrana in modo da ottenere condizioni parzialmente anaerobie
I ciano batteri azoto fissatori sono uno dei “pilastri” sui quali si mantiene la vita sulla Terra
Synechococcus sp. (Chroococcales),organismo modello per i Cyanobacteria
-Cianobatterio marino fototrofo ossigenico, dotato di motilità elevata anche se privo di flagelli o cilia (si muove tramite blandi gradienti di azoto)
-Componente fondamentale del fitoplancton procariotico nei mari temperati e caldi
-Modello per la fissazione del carbonio, con genoma interamente sequenziato nel 2003
Eubatteri ipertermofili
Alcuni Eubatteri sono estremofili come gli Archaea.
Ad esempio, Aquifexaeolicus , un chemolito autotrofo scoperto nel 1992 in una sorgente termale delle Isole Eolie) vive senza problemi a 95 °C
A. aeolicus è di grande interesse biotecnologico per gli enzimi solfo reduttasi ed idrogenasi termoresistenti. Il suo genoma (per il 16% simile a quello degli Archaea) è stato interamente sequenziato nel 1998
Thermotoga maritima , scoperto nel 1986 in una area marina geotermica dell’isola di Vulcano, vive tra 55 e 90°nei camini vulcanici sottomarini (“hydrothermal vents”) e nei depositi di petrolio E’ rivestito da una curiosa “toga” costituita da espansioni della membrana esterna
Adobatteri
Altri Eubatteri estremofili sono fortemente radioresistenti , come Deinococcus radiodurans , o fortemente ipertermofili , come Thermus aquaticus.
Thermus aquaticus , chemiotrofo isolato nel 1969 nella Geyser Valley (Yellowstone National Park, Wyoming), vive tra 55 e 80°, con temperatura ideale 70° E’ stata la prima preziosa fonte biotecnologica di enzimi termostabili, come la DNA polimerasi (“Taq pol”, 1976), RNA polimerasi, endonucleasi di restrizione e aldolasi
Deinococcus radiodurans Brooks & Murray, 1981(detto scherzosamente “Conan il batterio”). Eubatterio aerobio e chemiorganotrofo a colorazione di Gram ambigua (spesso indicato come Gram-positivo). E’ estremamente resistente a radiazioni ionizzanti e ultraviolette, alla disidratazione, allo stress ossidativo (esposizione alle specie reattive dell’ossigeno, o ROS) e a molti altri tipi di danno al DNA Il suo genoma, con due molecole di DNA circolare e due plasmidi, che codificano per 3195 geni, è stato interamente sequenziato nel 2001.
Misure di radioattività (o, più correttamente, misure di emissione di energia da parte di radionuclidi)
- Le misure di radioattività dipendono dall’obiettivo della ricerca:
- Entità delle radiazioni emesse da una sorgente
- Dose assorbita da un essere vivente
- Effetti biologici su un vivente esposto alle radiazioni e potenziali rischi per la salute
E’ il gruppo che tramite endosimbiosi secondaria ha originato i mitocondri nella cellula eucariotica. Ai proteobatteri appartiene Escherichia coli, organismo modello fondamentale tra i Procarioti , e patogeni come Helicobacterpylori , Salmonella typhimurium , Vibriocholerae e Yersiniapestis. Tra i proteobatteri vi sono tuttavia anche importanti azoto fissatori come Rhizobiumleguminosarum e l’agente del tumore del colletto (“crown gall”), Agrobacteriumtumefaciens , il cui plasmide è ampiamente usato per le trasformazioni genetiche delle piante.
Escherichia coli: il primo e più importante organismo modello tra i Procarioti. Eubatterio coliforme Gram-negativo (“bacillo”), appartenente al gruppo Enterobacteriaceae Il nome deriva dal suo scopritore, il pediatra tedesco Theodor von Escherich (1857-1911) E. coli costituisce lo 0.1% della flora batterica intestinale ed è usato come indicatore ambientale di contaminazione fecale. Ha un ruolo fondamentale negli studi sul DNA ricombinante, in bioingegneria e in microbiologia industriale Interamente sequenziato (ceppo K-12 MG1655) nel 1997 (Blattner et al., Science 1997) Possiede un’unica molecola circolare di DNA (“cromosoma”), lunga 4639 kb Il suo genoma contiene 4435 geni che codificano per 4339 proteine e 168 RNA strutturali
Helicobacter pylori (Proteobacteriaceae): Proteobatterio Gram-negativo direttamente coinvolto nella patogenesi dell’ulcera gastrica e del cancro allo stomaco E’ presente in 2/3 della popolazione mondiale, quindi è l’infezione umana più diffusa al mondo (70% asintomatica) Genoma interamente sequenziato nel 1997
Vibrio cholerae e la sua tossina disidratante
Vibrio cholerae è un anaerobio facoltativo a forma di virgola e provvisto di un flagello Produce una enterotossina a gravità variabile, detta CtX , costituita da un complesso di sei proteine (eteroesamero), una di tipo A e 5 di tipo B Le proteine di tipo B inducono l’endocitosi della tossina nelle cellule intestinali, liberando la proteina di tipo A nel citoplasma:questa evita la distruzione nel proteasoma e si ripiega di nuovo, aumentando l’attività dell’adenilato ciclasie fosforilando i canali del sodio e del cloro I canali attivati rendono permeabile la membrana della cellula intestinale, provocando una rapida perdita di acqua dall’intestino(fino a 2 litri/ora) ed una gravissima (spesso fatale) disidratazione Yersinia pestis , agente della peste bubbonica: Il proteobatterio Yersinia (syn. Pasteurella ) pestis è l’agente della peste bubbonica, trasmessa dalla pulce orientale del ratto, Xenopsilla cheopis (Insecta Aphaniptera), che ospita il batterio La peste si è diffusa dall’Asia in Europa a seguito delle migrazioni del ratto nero( Rattus rattus norvegicus ), iniziate intorno al 1300
Agrobacterium tumefaciens (Proteobacteria, Rhizobiaceae):
Batterio Gram-negativo che provoca i “tumori del colletto” (“crown gall”) nelle piante Il suo genoma e quello del plasmide Ti che trasmette la malattiaè stato interamente sequenziato nel 2001 (Goodner et al., Science 2001) E’ uno strumento fondamentale in biotecnologia vegetale per la trasformazione genica nelle piante.
Gram-positivi a basso contenuto in GC: Conosciuti anche come Firmicutes , questi batteri hanno una prevalenza di coppie di basi GC nel proprio DNA e sono caratterizzati dalla formazione di endospore Tra i Firmicutes vi sono Bacillus subtilis , fondamentale organismo modello tra gli Eubatteri sporigeni, Clostridium tetani (agente del tetano) e Bacillus anthracis (agente del carbonchio o antrace) Un altro gruppo di Firmicutes è costituito dagli stafilococchi, che comprende Staphylococcus aureus , il principale patogeno umano responsabile di infezioni cutanee, polmonari ed intestinali Questo gruppo comprende anche i più piccoli procarioti conosciuti, i micoplasmi, di straordinario interesse per lo studio del genoma (problema del “genoma minimo”)
Le endospore,forme di resistenza dei Firmicutes a condizioni difficili. Le endospore sono forme quiescenti (‘‘dormienti’’) e non riproduttive, che consentono la sopravvivenza dei Firmicutes in condizioni difficili come la siccità, il calore, il gelo l’esposizione a radiazioni ultraviolette e ad agenti chimici
Bacillus subtilis (Firmicutes Bacillaceae) Eubatterio Gram-positivo, aerobio obbligato, che forma endospore F 06 E Modello per la sporulazione e il differenziamento cellulare
F 06 E Interamente sequenziato nel 1997
Bacillus anthracis endosporigeno che causa il carbonchio(o “antrace”) F 06 E B. anthracis , scoperto dal batteriologo tedesco Robert Koch nel 1876, produce
endospore che restano infettive per molti annianche in condizioni sfavorevoli F 06 E La sintomatologia tipica è una lesione con area centrale necroticadi colore nero
(“antrace”) F 06 E La malattia ha tre forme principali: gastrointestinale, cutanea e respiratoria (mortalità
97%)
Stafilococchi, i principali “piogeni” Gli stafilococchi sono Firmicutes anaerobi facoltativinormalmente presenti come commensalisulla pelle intatta, ma in caso di ferite possono invadere i tessuti e le mucose , causando dermatiti, ulcere e, in alcuni casi, gravi setticemie
Clostridium tetani , agente del tetano La tetanospasmina (una metalloproteasi Zn-dipendente di 150 kD) è una neurotossina spasmo genica tra le più potenti finora note, superata solo dalla tossina botulinica(prodotta dalla specie affine C. botulinum ) e dalla tossina difterica(prodotta dall’actinomicete Corynebacterium difteriae )
Non ha mai nascosto le sue convinzioni secondo le quali la scienza, oltre ad un avanzamento di conoscenza, deve rappresentare anche una consistente fonte di guadagno, tramite il rilascio di brevetti Dopo il Progetto Genoma Minimo, dal 2007 dirige un progetto di ricerca il cui scopo è la costruzione in laboratorio del primo organismo vivente artificiale(e ottenere i relativi brevetti)
“Genoma Minimo” e ‘‘Genoma Artificiale’’
Per “genoma minimo” si intende il numero minimo di geni indispensabili per la sopravvivenza dell’organismo (“geni essenziali”) Dopo una serie di esperimenti di mutagenesi, J. Craig Venter e collaboratori formularono l’ipotesi che dei 521 geni codificati da M. genitalium solo 381 fossero necessari per la crescita dell’organismo in laboratorio
Dagli studi sul ‘‘genoma minimo’’ si originò nel 2007 un altro progetto di Venter: la costruzione di un genoma artificiale che contenesse tutti i geni necessari per la vita (Progetto “Organismo Artificiale”) JCVI-1.0, organismo “sintetico” ma non ancora “artificiale” (2008)
Nel 2007 il gruppo di ricerca diretto da J. Craig Venter e Hamilton Smith (Premio Nobel 1978 per la scoperta del primo enzima di restrizione, HindII) annunciò che avrebbe tentato di costruire in laboratorio una forma di vita artificiale Riunendo tratti di DNA, il gruppo di ricerca iniziò a costruire un “genoma sintetico”, per inserirlo nella specie naturale M. genitalium
In caso di successo, la nuova specie “artificiale” sarebbe stata chiamata Mycoplasma laboratorium , o Mycoplasma JCVI-1.0 , dal nome dell’istituto di ricerca (J. Craig Venter Institute, Rockville, MD) Nel 2008 il gruppo pubblicò la sequenza del genoma sintetico di M. laboratorium , costituito da 582 coppie di basi estratte da M. genitalium , eliminando i geni che rendono la specie patogena e aggiungendo alcuni ‘‘geni segnale’’
Genoma sintetico di Mycoplasma laboratorium JCVI-1.
Tuttavia il genoma sintetico inserito nel citoplasma di M. genitalium non sembrava in grado di funzionare… Come costruire un “organismo artificiale” La prova principale dell’integrazione funzionale tra genoma sintetico e citoplasma (cioè il pieno controllo esercitato dal genoma sintetico sulla cellula ospite) sarebbe stata la divisione del “nuovo” organismo
L’ostacolo principale all’integrazione funzionale era però il ritmo lentissimo di crescita di M. genitalium
Ventere i suoi collaboratori hanno eseguito nel 2010 esperimenti su due altri micoplasmi, M. mycoidessubspeciescapri (come donatore) e M. capricolumsubspeciescapricolum (come ospite), a crescita veloce
Le due specie naturali provocano malattie respiratorie nelle capre ed hanno caratteristiche genomiche e biochimiche molto simili
Il genoma sintetico di M. mycoides JCVI-syn1.0 si è rivelato in grado di controllare le “nuove” cellule E’ stato quindi costruito quindi un genoma sintetico di 1.08 Mb, derivato da M. mycoides e denominato Mycoplasma mycoides JCV1-syn1.0, che è stato inserito in una cellula ospite di M. capricolum con lo scopo di ottenere cellule di M. mycoides controllate esclusivamente dal genoma sintetico Ed in effetti le nuove cellule si sono divise attivamente, hanno mostrato un aspetto del tutto simile alle cellule naturali di M. mycoides ed hanno espresso il genoma sintetico (Gibson et al., Science 2010)
Confronto tra colture di M. mycoides JCVI-syn1.0 e M. mycoides WT (wild type)
I micoplasmi sono stati coltivati su un terreno di agar contenente X-galattosio, uno zucchero modificato
Le colonie hanno tutte il tipico aspetto a “uovo fritto” ( fried egg )caratteristico delle colonie di micoplasmi
Le colonie del micoplasma sintetico appaiono blu perché vi è stato inserito il gene lacZ, che esprime l’enzima β-galattosidasi e metabolizza l’X-galattosio ad un composto blu J. Craig Venter ha fondato insieme ad Hamilton Smith la società Synthetic Genomics Inc. per commercializzare le tecnologie del genoma sintetico Le colonie del micoplasma naturale (WT) non hanno il gene lacZe quindi restano bianche
I dati confermano che il genoma sintetico di M. mycoides JCV-syn1.0 è in grado di controllare la crescita e il metabolismo delle proprie cellule
Nel 2016 Venter e il suo gruppo di ricerca hanno annunciato di avere ottenuto un nuovo ceppo di M. mycoides , JCV1-syn3.0, che cresce e si riproduce con un genoma di soli 473 geni (531 Kb) Questo genoma ‘‘ super-minimo ’’ è più piccolo di quello di qualsiasi organismo vivente autonomo in natura Sorprendentemente, questo minimo genoma artificiale possiede ancora 140 geni a funzione sconosciuta , ma evidentemente indispensabili per il suo funzionamento
Archaea
Archeosolfobatterio anaerobio, con crescita ottimale a 85°C, in grado di ridurre il solfato a solfuro ad alte temperature
Primo solfobatterio interamente sequenziato (1997) Il suo genoma circolare di 2.18 Mb è molto simile a quello di M. jannaschii
La DNA girasi inversa di A. fulgidus esegue superavvolgimenti positivi che proteggono il DNA dal calore
La DNA girasi inversa, un estremozima di A. fulgidus e di altri Archaea ipertermofili, protegge il DNA dalla denaturazione causata dalle temperature elevate inducendo superavvolgimenti positivi nella molecola
Pyrococcus furiosus
Ipertermofilo estremo che vive a 103 °C , a pH 5- Isolato da una solfatara marina dell’isola di Vulcano(Italia) e completamente sequenziato nel 2002 dal Biotechnology Institute, Università del Maryland Il suo genoma (1.91 Mb) codifica per 2228 geni e 2065 proteine Contiene enzimi che usano come cofattore il tungsteno La sua DNA polimerasi (Pfu) è usata comunemente per la reazione a catena della polimerasi ( PCR )
- Oltre alla PCR, gli enzimi di P. furiosus sono usati industrialmente per produrre dioli ad alte temperature
- Altre applicazioni di questo Archaea coinvolgono il trasferimento di geni di P. furiosus nel modello vegetale Arabidopsisthaliana , per ottenere piante ad elevata resistenza allo stress ossidativo e al calore
I Crenarchaeota, estremofili solfodipendenti
Crenarchaeota sono Archaea solfodipendenti, termofili ed acidofili, diffusi in ambienti marini e sorgenti calde Il più conosciuto tra i Crenoarchaeota è Sulfolobus solfataricus , isolato per la prima volta in una sorgente calda sulfurea della Solfatara di Pozzuoli(Napoli), a 80 °C e a pH 2- Al contrario di molti altri termofili, S. solfataricus è aerobio e chemiorganotrofo, quindi facilmente coltivabile in laboratorio: per questo è stato scelto come modello per lo studio degli ipertermofili Il suo genoma è stato interamente sequenziato nel 2002 e le sue proteine sono di notevole interesse biotecnologico S. solfataricus è stato inoltre usato sulla Space Shuttle per esperimenti di cristallografia delle proteine nello spazio
Nanoarchaeum equitans (Archaea Nanoarchaeota) il più piccolo genoma non virale finora noto
Minuscolo (diametro 400 nm) simbionte obbligato di un altro Archaea, Ignicoccus hospitalis (Crenarchaeota), ipertermofilo e anaerobio
Scoperto nel 2002 in una “hydrothermal vent” in Islanda e in seguito anche nelle sorgenti termali di Yellowstone (Huber et al. Nature 2002)
Il suo minuscolo genoma circolare (490 kb) e il suo proteoma (614 geni codificanti per 574 proteine) sono stati interamente sequenziati poco dopo la sua scoperta
N. equitans è un esempio unico di doppio adattamento biologico alla vita ipertermofila e dalla simbiosi obbligata : è infatti incapace di sintetizzare lipidi, quasi tutti gli amminoacidi e gli enzimi di vie metaboliche essenziali
Cellula procariotica
È priva di membrana nucleare e il DNA, di forma circolare, è libero nel citoplasma
È priva di organelli (solo i ribosomi sono presenti nel citoplasma)
Contiene ribosomi 70 S
La parete cellulare, se presente, contiene peptidoglicani
Si divide per scissione binaria
E’ il primo tipo di cellula apparso sul pianeta Si divide per mitosi o per meiosi
Si è originata dalla cellula procariotica tramite complessi eventi di endosimbiosi
Cellula eucariotica
Ha una membrana nucleare e il DNA nucleare è organizzato in lunghi filamenti lineari(cromosomi)
Contiene organelli (mitocondri, reticolo endoplasmatico, apparato di Golgi, lisosomi, centrioli, citoscheletro e, nella cellula vegetale, cloroplasti e perossisomi)
Contiene ribosomi 80 S
La parete cellulare, se presente, contiene cellulosa o chitina, ma non peptidoglicani
Si divide per mitosi o per meiosi
Si è originata dalla cellula procariotica tramite complessi eventi di endosimbiosi
Strane “entità” biologiche (Procarioti ed Eucarioti) che sfidano i comuni
criteri di classificazione
Organismi “borderline”, o di difficile classificazione: Organismi procarioti ed eucarioti difficilmente “inquadrabili” nelle suddivisioni classiche dei viventi Molto importanti come fonte di informazioni sull’origine della vita e sulle principali tappe dell’evoluzione
Alcuni esempi:
