Trova le chiavi dell'ecologia nelle cellule che rubano agli altri

La natura, rossa di denti e artigli, è piena di organismi che mangiano i loro vicini per andare avanti. Ma nei sistemi studiati dall'ecologo teorico Holly Moller, assistente professore di ecologia, evoluzione e biologia marina all'Università della California, Santa Barbara, il consumato diventa parte del consumatore in modi sorprendenti.

Moeller studia principalmente i protisti, un'ampia categoria di microrganismi unicellulari come amebe e parameci che non rientrano nelle familiari categorie macroscopiche di animali, piante e funghi. Ciò che la affascina di più è la capacità di alcuni protisti di cooptare parti delle cellule di cui si nutrono. Armati di questi pezzi ancora funzionanti della loro preda, i protisti possono espandersi in nuovi habitat e sopravvivere dove prima non potevano.

Guardarli offre a Moeller una visione distintiva della struttura sottostante degli ecosistemi odierni e delle forze evolutive che li hanno creati. Il furto di organelli da parte dei protisti può sembrare bizzarro, ma i mitocondri nelle nostre stesse cellule ci contraddistinguono come prodotti di un tipo correlato di acquisizione metabolica da parte dei nostri antichi antenati.

"Nel senso più ampio, queste sono domande su quando e come gli organismi si specializzano e su come possono rompere quella specializzazione ottenendo l'accesso a qualcosa di nuovo", ha detto. "Per me, questo lavoro affronta domande su come gli organismi espandono la loro nicchia ecologica, come queste acquisizioni possono essere permanenti e cosa significa su come il metabolismo salta attraverso le punte dei rami degli alberi della vita".

Quanta ha parlato con Moeller per telefono della sua carriera, della sua ricerca sul metabolismo acquisito e dell'ecologia teorica. L'intervista è stata condensata e modificata per chiarezza.

Sei diventato famoso nei circoli dell'ecologia e dell'evoluzione per il tuo lavoro sul "metabolismo acquisito". È un termine che ti è venuto in mente?

Non intenzionalmente. È ciò che intendo per parti del tuo metabolismo che non sono codificate nel tuo stesso genoma. Puoi accedervi in ​​​​qualche modo associandoti con un'altra specie.

Ciò comprende alcune forme di simbiosi, ma è più di questo. Include anche cose come l'acquisizione di cloroplasti, gli organelli eucariotici per la fotosintesi, da prede ingerite e persino il trasferimento genico orizzontale, in cui un singolo gene o un intero pacchetto di geni metabolici viene prelevato da un organismo da un altro.

Sono addestrato come ecologista di comunità, quindi sono molto interessato ai ruoli che gli organismi svolgono negli ecosistemi e al modo in cui queste nicchie si espandono e si contraggono nel corso della loro vita. Lo studio del metabolismo acquisito sembrava un adattamento naturale a questo, perché riguarda principalmente il modo in cui gli organismi possono espandere le loro nicchie.

Quello che gli esseri umani hanno con i nostri batteri intestinali ha acquisito il metabolismo?

Penso che sia un ottimo esempio. Gran parte della nostra capacità di mangiare diverse fonti di cibo e metabolizzarle si riduce a quei batteri. Alcune delle importanti vitamine e cofattori di cui abbiamo bisogno, come la vitamina K, sono prodotte da microbi che vivono all'interno del nostro intestino. Dipendiamo molto da queste partnership.

Cosa ti ha portato in questa linea di ricerca?

Sai, i batteri spesso si muovono attraverso un processo chiamato "rotolamento e corsa". Seguono un segnale chimico verso una risorsa, ma quando il segnale si esaurisce, si fermano, ruotano e si allontanano in una direzione casuale. Penso che questo sia vero anche per molti scienziati, me compreso. Spesso seguiamo il nostro fiuto e inseguiamo cose per le quali ci entusiasmiamo. E a volte ci porta in posti inaspettati.

Sono stato fortunato. Entrambi i miei genitori si sono formati come scienziati e, sebbene nessuno dei due abbia lavorato come tale durante la mia crescita, sapevo che la ricerca era un'opzione di carriera. Sono stato anche molto fortunato nella mia formazione universitaria alla Rutgers University, in quanto ho avuto professori che si sono interessati e mi hanno messo in contatto con un membro della facoltà che faceva ricerche sui microbi marini. Lo scienziato con cui ho lavorato per la prima volta, Paolo Falkowski, ha interessi eclettici. Ma una delle cose che stava studiando all'epoca era il modo in cui i cloroplasti si diffondevano attorno all'albero della vita.

Fu qui che iniziò il mio interesse per il metabolismo acquisito. L'ho trovato totalmente affascinante, questa idea che qualcosa che ho imparato nei libri di testo come una caratteristica delle piante fosse in realtà qualcosa che hanno ottenuto un paio di miliardi di anni fa ingerendo un batterio. E che questo è successo più volte. Ho iniziato a lavorare con Paul e Matt Johnson, che all'epoca era il suo postdoc, sugli organismi che oggi rubano i cloroplasti e cosa potrebbero dirci su questo processo evolutivo.

Adoro l'idea che un organismo possa iniziare la vita senza un cloroplasto e poi prenderne uno.

Destra? Immagina se mangiassimo un'insalata a pranzo e poi improvvisamente le nostre braccia diventassero verdi! Vivo nel sud della California in questo momento: potrei fare una passeggiata tra una lezione e l'altra e ottenere tutta l'energia di cui avevo bisogno. Anche se mi piace pranzare, quindi non sono sicuro che mi piacerebbe molto.

In molti casi, questi organismi che ottengono cloroplasti diventano piuttosto legati alla fotosintesi. Alcune delle specie su cui lavoriamo morirebbero se non potessero fotosintetizzare, quindi non possono sopravvivere se non trovano prede da cui rubare i cloroplasti. È una curiosità evolutiva per me che si siano indietreggiati in questo angolo.

Queste specie devono continuare a rubare i cloroplasti perché alla fine si rompono?

Generalmente sì. Tuttavia, questi lignaggi che rubano i cloroplasti variano in quanto sono bravi a mantenere il cloroplasto. In questo gruppo di ciliati marini su cui lavoriamo chiamato Mesodinio, alcuni lignaggi non rubano affatto i cloroplasti. Alcuni li rubano e li buttano a terra molto velocemente. E altri li rubano ma rubano anche nuclei funzionali dalle loro prede, il che significa che possono produrre più cloroplasti.

La metafora che amo è che quelli che non rubano i cloroplasti sono come il bambino ben educato che non ha mai rubato un'auto. Altri rubano l'auto per un giro, la schiantano contro un albero e la abbandonano. Ma c'è chi ruba l'auto ma anche il libretto di uso e manutenzione, e costruisce un'officina meccanica per custodire bene la refurtiva.

C'è tutto questo spettro e poiché sono strettamente correlati, possiamo chiederci: quali sono le differenze evolutive tra questi organismi che hanno facilitato le transizioni?

Ereditano mai i cloroplasti dalle loro cellule madri? Se le cellule si dividono per riprodursi, non vengono trasmessi anche i cloroplasti?

Alcuni di loro lo fanno. In alcuni lignaggi, quando le cellule si dividono, si dividono l'assegnazione di cloroplasti tra di loro. Per rinfrescare e reintegrare i loro cloroplasti, devono rubarli mangiando.

Ma le cellule che conservano il nucleo rubato - il manuale di istruzioni rubato - possono dividere i cloroplasti insieme al resto della cellula. I nuclei sembrano essere ciò per cui hanno ancora bisogno di mangiare. Quando catturano una cellula preda, si aggrappano ai suoi cloroplasti, perché no? Ma sembra davvero che ciò che è fondamentale sia che raccolgano nuovi nuclei.

Com'è possibile che i ciliati ricevano energia dal macchinario cellulare di qualcun altro?

Questa è una domanda davvero interessante. Quando alcuni dei Mesodinio i ciliati mangiano, strappano via la maggior parte delle cellule della preda. La microscopia elettronica ha mostrato che i cloroplasti sono abbastanza intatti, ma sono anche ancora all'interno della membrana cellulare reliquia della preda. E poi il ciliato ha una sua membrana attorno a tutto ciò, perché il ciliato ha bloccato la cellula della preda in un vacuolo [vescicola della membrana] quando l'ha ingerita.

Non sappiamo davvero come si muovano le molecole attraverso questo sistema multi-membrana. Questo è qualcosa che stiamo cercando di approfondire ora seguendo dove stanno andando le proteine.

A quale domanda evolutiva questo lavoro ti sta aiutando a rispondere?

Quando insegniamo la fotosintesi a scuola, ci concentriamo principalmente sulle piante terrestri, i cui antenati raccolsero i cloroplasti 2 miliardi di anni fa, quando addomesticarono i cianobatteri a vita libera come endosimbionti.

Ma quando guardiamo al fitoplancton negli oceani e nei sistemi di acqua dolce, il quadro è molto più complicato. Spesso osserviamo organismi che hanno quello che viene chiamato un cloroplasto secondario, il che significa che a un certo punto della loro storia evolutiva hanno ottenuto un cloroplasto da qualcos'altro. A volte vedi persino prove di cloroplasti terziari, dove gli organismi ottengono cloroplasti che sono stati prelevati da una terza cellula. Questi eventi di endosimbiosi secondari e terziari si sono verificati, pensiamo, almeno una mezza dozzina di volte. E questo ha dato origine all'enorme diversità del fitoplancton eucariotico.

Che aspetto ha passare dall'essere qualcosa di eterotrofico a qualcosa di altamente fotosintetico? Quali cambiamenti devi apportare alla tua fisiologia? Dove puoi sopravvivere? Quali gradienti di selezione naturale devono essere presenti? Lo studio di Mesodinio ci dà spunti su come è stata quella transizione.

Il metabolismo acquisito aiuta gli organismi ad andare avanti?

Nel documento che abbiamo pubblicato all'inizio di quest'anno, abbiamo esaminato un organismo che sta diventando fotosintetico ospitando alghe endosimbiotiche. È sia un metabolismo acquisito che una simbiosi. Potresti aprire questi ciliati d'acqua dolce chiamati Borsari di paramecio e isolare le alghe, e le alghe vivrebbero e crescerebbero felicemente da sole.

Questi parameci sono come piccole macchie verdi sfocate che girano nella capsula di Petri. Abbiamo iniziato a osservare come le capacità competitive di questi organismi dipendessero dalla disponibilità di luce. Se ottengono energia dalla luce solare, più luce solare c'è, più energia dovrebbero ottenere per crescere. Abbiamo pensato che si sarebbe esteso alla loro capacità di competere con altre specie.

Ho avuto uno studente universitario incredibilmente talentuoso, Veronica Hsu, che ha testato l'idea. Avevamo questo incubatore con banchi di luci e piccole boccette di colture che crescevano a diversi livelli di luce. Ogni due giorni, Veronica prelevava campioni delle colture e ne metteva piccole goccioline nelle capsule di Petri. Quindi ha contato il numero di diversi tipi di ciliati in ciascuna gocciolina.

Ma anche senza fare un conteggio esatto, in poche settimane si poteva vedere che tutti i ciliati bianchi traslucidi non fotosintetici stavano scomparendo, mentre tutti i parameci verde brillante stavano aumentando. Potresti vedere la competizione svolgersi davanti ai tuoi occhi.

Veronica ha dimostrato che con l'aumentare della luce aumentava anche la capacità competitiva dell'organismo che aveva acquisito la fotosintesi ospitando le alghe. E poi contare le cellule ci ha permesso di cogliere i dati alla base di questo fenomeno.

Quindi ottenere questi conteggi cellulari e costruire un modello matematico di ciò che stava accadendo è stata una parte importante di questo?

Sì, quando eseguiamo questi esperimenti, c'è molto da contare. La mia collega Carolina Tucker ha detto quando eravamo all'università insieme: "Sai, l'ecologia è solo la scienza del conteggio". A quel tempo, ero piuttosto risentito per la sua affermazione, ma non aveva torto.

C'è una parte di me che penserà sempre che non c'è niente di meglio che sedersi con il tuo organismo di studio e innamorarsene un po' in laboratorio o sul campo. Seduto in una stanza buia, guardando attraverso un microscopio, ti sembra di percepire le personalità di queste diverse specie. Alcuni di questi parameci sono di un bianco argenteo ea forma di lacrima e molto traslucidi perché non hanno alghe fotosintetiche. Quando sono in una fiaschetta nuova di zecca con molte risorse batteriche, si muovono lentamente, ma poi mentre l'esperimento va avanti, è come se potessi vederli avere fame davanti ai tuoi occhi e iniziare a nuotare molto velocemente. E puoi fare osservazioni che poi portano a ulteriori scoperte.

Essere in grado di combinare esperimenti di laboratorio con modelli matematici mi costringe ad essere davvero onesto ed esplicito su ciò che penso stia accadendo. Cosa intendiamo per “acquisizione” del metabolismo? Quali risorse ottiene la cellula ospitando la fotosintesi? In che modo ciò influisce esattamente sulle sue capacità competitive?

Ora abbiamo un modello che sappiamo descrivere come il metabolismo acquisito può modificare la capacità competitiva. E questo ha implicazioni non solo per la fotosintesi acquisita, ma anche per altre acquisizioni del metabolismo. I dettagli esatti che inseriamo nel modello potrebbero cambiare a seconda del sistema. Ma abbiamo una struttura da usare.

Abbiamo parlato di vantaggi competitivi che possono derivare dal metabolismo acquisito. Ma ci sono degli svantaggi nel prendere il controllo del metabolismo di qualcun altro?

Decisamente. C'è una teoria secondo cui i nostri mitocondri - un altro organello metabolico che abbiamo acquisito attraverso l'endosimbiosi - sono la ragione per cui invecchiamo.

A causa loro, siamo impegnati nel metabolismo aerobico, utilizzando l'ossigeno per bruciare carboidrati e altre molecole per produrre energia. Ma gli agenti reattivi prodotti dai mitocondri e dai cloroplasti potrebbero anche ossidare e degradare il DNA del nostro corpo. Queste sono cose pericolose da mettere accanto al tuo materiale genetico.

Una cosa che a volte vediamo in questi organismi che rubano i cloroplasti è che hanno un sacco di meccanismi antiossidanti protettivi, che li aiutano a gestire l'assunzione di un cloroplasto. Avere un cloroplasto può rendere molto pericoloso trovarsi in condizioni di luce intensa. Puoi praticamente scottarti al sole. Una cosa interessante dimostrata da Susanne Strom, uno scienziato dello Stato di Washington presso la Western Washington University, è che quando gli organismi mangiano cellule con cloroplasti, tendono a digerirli più velocemente quando c'è più luce disponibile. Potrebbe essere perché la luce ti aiuta ad abbattere il cloroplasto. Ma potrebbe anche essere che questo organismo stia pensando: “Sto giocando con il fuoco qui; Devo sbarazzarmene.

Quindi questo solleva domande interessanti sui tipi di ambienti in cui questi organismi avrebbero potuto vivere quando hanno iniziato ad aggrapparsi ai cloroplasti. Sospetto che fosse probabilmente un ambiente con scarsa illuminazione perché se la tua digestione dipende dalla luce, una luce inferiore la rallenterà e ridurrà anche il danno che i cloroplasti potrebbero causare. Puoi gestirlo un po' di più. E Mesodinio è certamente una specie a bassa luminosità. Ma questo è molto aneddotico. Abbiamo bisogno di molte più prove. Ma ovviamente ci sono anche cose che trattengono i cloroplasti che vivono anche in un ambiente molto luminoso.

Ho notato sul tuo Twitter che stai facendo un sacco di conteggi delle radici degli alberi. Cosa c'entra questo con quest'altro lavoro?

Una delle cose che amo dell'essere un ecologista teorico è che posso dilettarmi in molti sistemi diversi.

Questo è un altro aspetto del metabolismo acquisito su cui lavoriamo. Quindi abbiamo parlato di rubare macchinari metabolici da un altro organismo. Ma c'è anche il mutualismo metabolico: l'acquisizione del metabolismo attraverso questa partnership davvero intima tra due organismi. L'attività degli alberi, come tutti sappiamo, è la fotosintesi. Ma per fotosintetizzare, gli alberi hanno bisogno di nutrienti e acqua dal suolo. E si scopre, specialmente negli ecosistemi temperati, che ottengono l'accesso a queste risorse collaborando con funghi, funghi ectomicorrizici. Questi sono funghi che vivono per lo più sotto terra, anche se a volte producono funghi davvero deliziosi, e talvolta anche tossici. I funghi sono in collaborazione con gli alberi. I funghi eccellono nel raccogliere i nutrienti dal suolo e gli alberi forniscono lo zucchero dalla fotosintesi, in modo che possano sostenersi a vicenda.

Questo mutualismo metabolico aiuta gli alberi a sopravvivere in tutti i tipi di condizioni ambientali diverse e ad espandere la loro nicchia ecologica. Un albero può collaborare con determinati funghi che sono buoni per un ambiente e con funghi diversi in un ambiente diverso. Pensiamo che ciò consenta agli alberi di guadagnarsi da vivere in un insieme più diversificato di condizioni ambientali rispetto a se fossero soli.

Si parla tanto del microbioma, ma dimentichiamo che all'inizio deve essere stato davvero difficile far funzionare tutte quelle relazioni con i microbi.

Sì, totalmente. Man mano che otteniamo dati ambientali migliori dal sequenziamento, vediamo che praticamente tutto ha una sorta di microbioma, anche se vive al di fuori. Chi ha controllato la cui evoluzione, sai? Forse dovevamo solo fare i conti con il fatto che le nostre viscere sarebbero state colonizzate da insetti e ne abbiamo tratto il meglio.

Ecco perché penso che lo studio del metabolismo acquisito sia così affascinante. Stai studiando gli organismi che stanno facendo queste acquisizioni oggi. Ottieni un'idea di come lo stavano gestendo ecologicamente in passato, quali erano le pressioni selettive e così via.

Sento che l'ecologia teorica sta esplodendo ultimamente.

Penso che sia molto di moda adesso.

Penso che parte del crescente interesse per la teoria derivi dall'enorme quantità di informazioni che abbiamo ora. Quando hai pile e pile di dati, dai loro un senso sviluppando alcune teorie unificanti al riguardo. E i modelli matematici sono un modo per affrontare questo problema. Penso che sia per questo che c'è stato più interesse tra i nostri studenti laureati in questi argomenti, o interesse nelle università nell'assumere ecologisti teorici. In un certo senso si riduce a: abbiamo dati enormi. E siamo pronti.