Coltivati in Giappone, i parenti più stretti della vita complessa non hanno un nucleo

I parenti viventi più prossimi di ogni animale, pianta e fungo sulla Terra stanno ora crescendo in un laboratorio giapponese, e non assomigliano affatto all’antenato che molti biologi avevano immaginato. Un team del JAMSTEC, la Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology, ha coltivato le prime colture pure di Heimdallarchaeia, un gruppo di archei unicellulari da cui si ritiene siano emerse le cellule complesse. Al loro interno, le cellule sono essenziali: nessun nucleo, nessun compartimento interno, nulla che ricordi gli organelli che definiscono le nostre cellule.

La sorpresa è all’esterno. Ogni cellula sviluppa lunghi bracci ramificati che si aggrappano ai microbi partner senza i quali non può vivere, e le cellule si ammalano se esposte all’ossigeno, pur possedendo geni per gestirlo. Nel loro insieme, questi tratti delineano il ritratto del nostro più remoto antenato unicellulare come un microbo lento, restio all’ossigeno, che viveva di collaborazioni anziché come una versione in miniatura della complessa cellula che sarebbe poi diventato.

La scoperta si inserisce in una delle questioni più antiche della biologia: come una semplice cellula priva di nucleo si sia trasformata nell’elaborata cellula eucariotica che compone ogni corpo umano. La spiegazione principale sostiene che una cellula archeale abbia stretto una stretta collaborazione con un batterio, e che quest’ultimo sia stato infine inglobato trasformandosi nel mitocondrio, la centrale energetica interna alle nostre cellule. Quale lignaggio di archei abbia fatto da ospite e quali fossero le sue caratteristiche è oggetto di dibattito da anni, perlopiù sulla base di frammenti di DNA estratti da fango e acqua marina.

Gli Heimdallarchaeia sono al centro di questa discussione. Appartengono al phylum Promethearchaeota, meglio noto con il suo precedente nome di archei di Asgard, e gli alberi genealogici genetici li collocano come il ramo archeale più vicino agli eucarioti. Finora nessuno ne aveva osservato uno vivente da vicino, perciò le ipotesi secondo cui avessero già strutture interne complesse o potessero respirare ossigeno come noi si fondavano soltanto sulla lettura dei genomi.

Come ci sono riusciti

I microbi provenivano da un luogo insolito: un biofilm che rivestiva l’interno di un pozzo di gas naturale nella penisola di Boso, nella prefettura di Chiba, a est di Tokyo. Da lì sgorga acqua sotterranea salina e ricca di metano, che periodicamente erutta come un piccolo geyser, esponendo regolarmente la pellicola all’aria. Il team ha scelto il sito intenzionalmente, sperando di trovare parenti degli eucarioti che avessero una qualche storia con l’ossigeno.

Farli crescere ha richiesto tre anni. I ricercatori hanno nutrito le colture con quantità minime di alimenti ricchi di proteine, inclusi casaminoacidi, peptone e latte in polvere, e hanno impiegato cicli di antibiotici per eliminare i batteri concorrenti, trasferendo ripetutamente i sopravvissuti in terreno fresco. Il risultato sono stati due ceppi, denominati HC1 e SC1. HC1 vive oggi in un’associazione stabile con un solo microbo partner produttore di metano; SC1 vive in un trio con due partner di questo tipo.

Non sono organismi dalla crescita rapida. HC1 impiega all’incirca una settimana o più per raddoppiare, mentre SC1 da due a tre settimane. Un batterio intestinale come E. coli può raddoppiare in circa 20 minuti. Il team ha quindi esaminato le cellule con microscopi elettronici a scansione e a trasmissione, tomografia crioelettronica che ricostruisce in 3D una cellula congelata e marcatura fluorescente, e ha sequenziato entrambi i genomi, risultati composti da 7,91 e 6,75 milioni di lettere di DNA.

Semplici all’interno, attivissimi all’esterno

In decine di micrografie elettroniche, nessuno dei due ceppi mostrava una membrana interna permanente, il segno distintivo delle cellule eucariotiche. Alcune cellule contenevano piccole strutture simili a bolle che comparivano e scomparivano, ma nessun nucleo, nessun reticolo endoplasmatico e nulla che un biologo cellulare definirebbe un organello. Le cellule si dividono in due come comuni microbi.

Le loro superfici raccontavano una storia diversa. Dopo una fase di crescita, la maggior parte delle cellule estendeva molteplici bracci spessi circa 370 nanometri, che si ramificano e si rigonfiano, e tali bracci spesso avevano un volume maggiore del corpo cellulare stesso, in media circa 1,4 volte tanto. I bracci erano percorsi da filamenti simili all’actina, la proteina che conferisce forma alle nostre stesse cellule, e si agganciavano fisicamente ai microbi partner. Le cellule nel pieno della divisione non ne possedevano mai.

Questa collaborazione non è facoltativa. Entrambi i ceppi degradano frammenti proteici e rilasciano idrogeno come prodotto di scarto, una reazione che si blocca se un partner non continua a rimuovere l’idrogeno. Quando i ricercatori hanno inibito i partner produttori di metano, gli archei hanno smesso completamente di crescere.

Un’altra caratteristica ha attirato l’attenzione del team. Quando HC1 riceveva più cibo, non si divideva più rapidamente. Al contrario, le sue cellule diventavano più grandi e sviluppavano più bracci. L’imaging su ampia area di circa 15.000 cellule ha mostrato bracci più grandi e più numerosi per cellula, mentre le proteine per cellula sono aumentate da 66 a 226 femtogrammi. Batteri e archei tipici investono l’energia in eccesso nella riproduzione. Scambiare le dimensioni con la riproduzione è, osservano gli autori, qualcosa che fanno gli eucarioti.

L’enigma dell’ossigeno

HC1 possiede geni per ossidasi terminali, enzimi che negli animali si trovano alla fine della catena che brucia ossigeno per produrre energia. Alcuni ricercatori avevano interpretato geni analoghi nel DNA degli Heimdallarchaeia come un segnale che l’antenato degli eucarioti respirasse già ossigeno. Le colture indicano il contrario. L’aggiunta persino di tracce di ossigeno, o di un’atmosfera con l’1% di ossigeno, ha ridotto di circa cento volte il numero di cellule di HC1.

HC1 poteva sopravvivere all’ossigeno solo con un aiuto. Quando alla coltura venivano aggiunti batteri consumatori di ossigeno isolati dall’arricchimento originario, HC1 cresceva nonostante bassi livelli di ossigeno, pur senza produrre più cellule di prima. Il suo genoma manca inoltre dei meccanismi necessari a indirizzare gli elettroni dal cibo all’ossigeno. Il team conclude che le ossidasi agiscano come difesa, eliminando l’ossigeno, proprio come accade in altri anaerobi stretti. La ferritina, una proteina che limita i danni dell’ossigeno che coinvolgono il ferro, figurava tra le tre proteine più espresse in HC1.

Un test sull’intero genoma ha puntato nella stessa direzione. I ricercatori hanno addestrato un classificatore su enzimi che distinguono gli organismi che necessitano di ossigeno da quelli che lo evitano, e il sistema ha ordinato correttamente microbi noti circa nel 95% dei casi. Applicato all’intero phylum di Asgard, ha indicato che il gruppo è ampiamente anaerobico, con o senza geni per le ossidasi.

Ciò si accorda con un’idea nota come modello Ox-Tox: il batterio che divenne il mitocondrio si sarebbe inizialmente guadagnato il proprio posto assorbendo l’ossigeno tossico per il suo ospite archeale, molto prima di trasformarsi nel fornitore di energia della cellula.

Ciò che non chiarisce

Questi microbi sono cugini dell’antenato, non l’antenato stesso. Hanno avuto il nostro stesso tempo per evolversi, circa due miliardi di anni secondo la maggior parte delle stime, e qualsiasi tratto osservato oggi potrebbe essere stato acquisito o perduto lungo il percorso. L’analisi dello stesso team suggerisce che i geni per la gestione dell’ossigeno si siano trasferiti orizzontalmente tra gruppi imparentati, perciò resta aperta la questione se l’antenato li possedesse o meno.

Anche il campione è ridotto. Solo tre ceppi di questo ramo dell’albero sono stati esaminati al microscopio: HC1, SC1 e una coltura di arricchimento descritta in precedenza da un altro gruppo. Tutti e tre sono privi di organelli, ma un lignaggio tanto diversificato potrebbe includere membri con interni più elaborati. Le occasionali bolle interne di alcune cellule non hanno ancora una spiegazione e gli autori non le definiscono né organelli primitivi né artefatti.

Anche le condizioni di laboratorio contano. Le forme cellulari cambiavano quando le cellule venivano fissate chimicamente per l’imaging, e i bracci tendevano a spezzarsi, un avvertimento che gli stessi autori segnalano riguardo all’interpretazione dell’anatomia da campioni conservati. Le colture sono associazioni pure a due o a tre con i partner, non colture di una singola specie, poiché gli archei non possono crescere da soli.

Un lignaggio ora aperto agli esperimenti

Il gruppo JAMSTEC ha coltivato il primo membro del più ampio gruppo di Asgard, un ceppo denominato MK-D1 proveniente da sedimenti dei fondali marini, e lo ha descritto nel 2020. Nel 2023, un team di Vienna ha illustrato un secondo organismo, Lokiarchaeum ossiferum, dotato di bracci simili. I nuovi ceppi appartengono al ramo più vicino agli eucarioti, crescono più rapidamente di MK-D1 e hanno cellule più grandi, caratteristiche che li rendono molto più facili da studiare.

Il team ha proposto nomi per entrambi: Candidatus Margulisarchaeum peptidiphilum per HC1, un nome di genere che reca il cognome di Lynn Margulis, la biologa che sostenne la teoria secondo cui i mitocondri ebbero origine da batteri catturati, e Candidatus Flexarchaeum multiprotrusionum per SC1.

Domande comuni sugli archei all’origine della vita complessa

Cosa sono gli archei di Asgard?

Gli archei di Asgard, oggi formalmente denominati Promethearchaeota, sono un gruppo di microbi unicellulari inizialmente identificati dal DNA ambientale e chiamati in riferimento alla mitologia norrena. I loro genomi contengono molti geni un tempo ritenuti esclusivi degli eucarioti, motivo per cui sono considerati il lignaggio da cui sono sorte le cellule complesse.

Gli esseri umani si sono evoluti dagli archei?

In senso profondo, sì. Il modello principale sostiene che la prima cellula eucariotica si sia formata quando un archeo imparentato con gli odierni Heimdallarchaeia ha stretto una collaborazione con un batterio che è diventato il mitocondrio. Ogni animale, pianta e fungo discende da quella cellula fusa.

Gli Heimdallarchaeia hanno un nucleo?

No. I ceppi coltivati HC1 e SC1 non hanno nucleo né membrane interne permanenti. La loro complessità risiede all’esterno, nei lunghi bracci ramificati che si connettono ai microbi partner.

Questi archei possono vivere con l’ossigeno?

A malapena. Sono anaerobi e il loro numero diminuisce di circa cento volte in presenza di tracce di ossigeno, ma un ceppo è sopravvissuto a basse concentrazioni di ossigeno quando batteri che lo consumano condividevano la sua coltura.

Lo studio è stato pubblicato su Nature il 28 ottobre 2026 ed era stato inizialmente diffuso come preprint nel febbraio 2025. JAMSTEC afferma che i due ceppi serviranno ora come modelli sperimentali, mentre il team si concentrerà sulle loro strutture cellulari e sul modo in cui si legano ai microbi partner per ricostruire come una cellula archeale dotata di bracci esterni sia arrivata a costruire un nucleo al proprio interno.

Riferimento: Imachi, Nobu et al., “Eukaryotes’ closest relatives are internally simple syntrophic peptidotrophic archaea,” Nature, 2026. DOI: 10.1038/s41586-026-11170-7

Tag: archei, Asgard archaea, biologia cellulare, eucarioti, evoluzione, Heimdallarchaeia