1

Il ricercatore della Colorado State University studia come questi microbi resistenti – che costituiscono uno dei tre domini di vita sopravvissuti – esprimono i loro geni, producono la loro energia e prosperano in ambienti caldi e senza luce.

Si scopre che non siamo così diversi – biochimicamente, comunque – dagli archaea dopo tutto.

Santangelo, professore associato nel Dipartimento di Biochimica e Biologia Molecolare, faceva parte di un team che ha trovato sorprendenti parallelismi tra come le cellule arcaiche e le cellule più complesse, comprese quelle umane e animali, imballano e conservano il loro materiale genetico. Lo studio rivoluzionario, pubblicato su Science all’inizio di quest’anno, ha fornito la prova che gli archei e le cellule eucariotiche condividono un meccanismo comune per compattare, organizzare e strutturare i loro genomi.

Lo studio è stato condotto da Karolin Luger, ora biologo strutturale presso l’Università del Colorado Boulder. La maggior parte dei risultati riportati in Science sono stati completati mentre Luger era un membro di facoltà della CSU, dal 1999 al 2015.

Un piccolo ripasso di biologia del liceo: Gli eucarioti sono cellule con un nucleo e organelli legati alla membrana, e comprendono cellule fungine, vegetali e animali, comprese quelle umane. Si distinguono dalle loro controparti meno complesse, i procarioti, per l’assenza di un nucleo. Mentre archaea e batteri sono entrambi procarioti, sono solo lontanamente correlati. Gli archaea sono i probabili progenitori degli eucarioti e condividono molte delle stesse proteine che controllano l’espressione genica.

Uno dei processi più fondamentali della vita – la meccanica con cui il DNA si piega, si piega e si stringe nel nucleo di una cellula – è comune a tutti gli eucarioti, dai microscopici protisti alle piante agli esseri umani.

Impacchettato all’interno del nucleo di ogni cellula eucariotica c’è qualche metro di materiale genetico che è compattato in un modo molto specifico. Piccole sezioni di DNA sono avvolte, come un filo intorno a una bobina, circa due volte intorno a otto piccole proteine chiamate istoni. L’intero complesso DNA-istoni è chiamato nucleosoma, e una serie di nucleosomi compattati è chiamata cromatina. Nel 1997, Luger e colleghi hanno riportato per la prima volta la struttura esatta dei nucleosomi eucariotici attraverso la cristallografia a raggi X.

Il collaboratore di Science paper John Reeve aveva scoperto negli anni ’90 che le proteine istone non erano limitate agli eucarioti, ma si trovavano anche nelle cellule di archei senza nucleo. Reeves e Luger iniziarono una collaborazione per cristallizzare la cromatina arcaica a base di istoni e confrontare quella struttura con la cromatina eucariotica.

Dopo anni di fermate e partenze e di problemi nella crescita di cristalli affidabili di istoni arcaici – Luger l’ha definito un “problema cristallografico spinoso” – gli scienziati sono riusciti a risolvere la struttura della cromatina arcaica, rivelando la sua somiglianza strutturale con quella degli eucarioti.

Nei dati, il DNA arcaico sembrava formare lunghe e sinuose supereliche che si ripetono. I ricercatori non erano sicuri se la struttura fosse reale o un artefatto dell’esperimento. È qui che il team di Santagelo alla CSU ha fornito un’esperienza chiave.

“Il mio gruppo ha raccolto la sfida di determinare se la struttura risolta nei cristalli rappresentasse una struttura biologicamente significativa”, ha detto.

Il team di Santangelo ha realizzato delle varianti degli istoni arcaici e ha testato come le cellule se la cavano, man mano che interrompevano la superelica del DNA. Hanno scoperto che più destabilizzavano la struttura, più le cellule si ammalavano. I loro sforzi hanno sottolineato i meriti della struttura che il gruppo di Luger aveva determinato.

Fare parte di un team che ha fornito una comprensione così fondamentale come l’origine delle nostre cellule è stato uno dei momenti più gratificanti della carriera di Santangelo.

“L’impatto principale del documento, penso, è che l’idea di compattare il DNA in queste strutture è un’idea molto antica – probabilmente più di 1 miliardo di anni”, ha detto Santangelo. “Le proteine istoniche sono entrate in scena, e una volta che hanno iniziato a impacchettare i genomi, si sono rese indispensabili per le cellule che le hanno codificate.”

Santangelo continuerà a condurre studi sulla struttura, la funzione e le transazioni energetiche degli archaea – quegli antichi marinai che ora rappresentano definitivamente un prototipo ancestrale dell’attività cellulare umana.