Un nuovo regno per l'albero della vita / A new kingdom for the tree of life

Un nuovo regno per l'albero della vitaA new kingdom for the tree of life


Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa


Micrografia di un particolare di Hemimastix kukwesjijk, l'emimastigote appena descritto./ Micrograph of a detail of Hemimastix kukwesjijk, the hemimastigote just described (Cortesia Yana Eglit)


Uno strano microrganismo chiamato emimastigote non è un animale, né una pianta e nemmeno un fungo o un protozoo. Scoperto di recente, appartiene a un "supergruppo" della vita tutto suo e lascia presagire che le nuove tecnologie di sequenziamento ci mostreranno un'incredibile biodiversità ancora tutta da esplorare.

L’albero della vita ha appena acquisito un altro ramo importante. Di recente, in un campione di suolo della Nuova Scozia, una provincia del Canada affacciata sull’Oceano Atlantico, alcuni ricercatori hanno trovato un singolare microrganismo, raro e misterioso, chiamato emimastigote (o hemimastigotes o anche emimastigofori). L’analisi del suo DNA ha rivelato che non si tratta né di un animale, né di una pianta o un fungo, e neppure di un qualsiasi tipo noto di protozoo; di fatto non rientra in alcuna delle grandi categorie note della classificazione delle forme di vita complesse (eucarioti). Questa bizzarria naturale dotata di flagelli è invece il primo membro di un proprio gruppo, un “super-gruppo”, che probabilmente si è staccato dagli altri grandi rami della vita almeno un miliardo di anni fa.

“È il tipo di risultato che si spera di vedere una volta nella propria carriera”, ha detto Alastair Simpson, microbiologo alla Dalhousie University di Halifax, in Nuova Scozia, che ha effettuato lo studio.

La scoperta degli emimastigoti è di per sè impressionanate, ma quel che più conta è che si tratta solo dell’ultima (e più significativa) di un numero crescente di importanti aggiunte tassonomiche all’albero della vita. I ricercatori continuano a scoprire non solo nuove specie o classi, ma anche nuovi regni, e questo solleva interrogativi sulle ragioni per cui sono rimasti nascosti per così tanto tempo e su quanto siamo vicini a trovarli tutti.

Yana Eglit è una specializzanda della Dalhousie University che si è dedicata alla scoperta dei nuovi lignaggi degli eucarioti unicellulari detti protisti. Un freddo giorno di primavera 2016, mentre camminava in una località della Nuova Scozia con alcuni amici, è 
rimasta indietro per raschiare qualche grammo di sporco in un tubo di plastica. Tornata in laboratorio, ha immerso il suo campione in acqua, e il mese successivo ha iniziato a controllare periodicamente il microscopio per rilevare eventuali segni di vita insolita.

Una sera, qualcosa di strano nel campione ha attirato la sua attenzione. Una cellula allungata da cui s’irradiavano flagelli a forma di frusta “stava nuotando goffamente, come se non si rendesse conto che tutti quei flagelli avrebbero potuto aiutarla a muoversi”, ricorda Eglit. Aumentando l’ingrandimento, ha visto che corrispondeva alla descrizione di un emimastigote, un raro tipo di protista notoriamente difficile da tenere in coltura. La mattina seguente, il laboratorio era in fermento per l’opportunità di descrivere e sequenziare l’esemplare. “Abbiamo lasciato perdere tutto il resto”, ricorda.

Gli emimastigoti sono uno dei pochi lignaggi di protisti “notoriamente sconosciuti”, gruppi di cui si ha una descrizione solo parziale, la cui posizione sull’albero della vita non è ben definita perché è difficile tenerli in coltura e, quindi, sequenziarne il genoma. Gli esperti di protisti hanno usato le peculiarità della struttura degli emimastigoti per ipotizzarne le parentele evolutive, ma le loro ipotesi erano state “impallinate” dai critici, come dice Simpson, ovunque le avessero filogeneticamente collocate. In assenza di dati molecolari, i lignaggi di organismi come gli emimastigoti erano rimasti privi di un’ascendenza conosciuta.

Ma un nuovo metodo, la trascrittomica unicellulare, ha rivoluzionato questi studi. Esso consente ai ricercatori di sequenziare un gran numero di geni da una singola cellula. Gordon Lax, un altro specializzando nel laboratorio Simpson ed esperto di questo metodo, spiega che per gli organismi difficili da studiare come gli emimastigoti, la trascrittomica monocellulare può produrre fornire dati genetici di una qualità che prima era riservata a organismi per i quali si poteva disporre di molte cellule, rendendo finalmente possibili confronti genomici più accurati.

Il gruppo ha sequenziato più di 300 geni e Laura Eme, ora ricercatrice post-dottorato all’Università di Uppsala, in Svezia, ha sviluppato un modello di come si sono evoluti questi geni per poi stabilire la classificazione degli emimastigoti. “Ci aspettavamo che rientrassero in uno dei supergruppi esistenti”, ha spiegato. I membri del laboratorio sono stati invece sorpresi nello scoprire che gli emimastigoti non si adattano ad alcuna parte dell’albero della vita. Essi rappresentano un lignaggio distinto dalla mezza dozzina di supergruppi noti.

La collocazione degli emimastigoti nel dominio degli eucarioti è sempre stato oggetto di polemiche. Una recente analisi del loro DNA mostra che si tratta di un nuovo supergruppo che si è separato da tutte le altre forme di vita eucariota oltre un miliardo di anni fa. / The placement of hemimastigotes in the eukaryotic domain has always been the subject of controversy. A recent analysis of their DNA shows that it is a new supergroup that has separated itself from all other eukaryote life forms over a billion years ago.


Per capire qunato sia evolutativamente distinto il lignaggio degli emimastigoti, immaginate l’albero degli eucarioti dispiegato davanti a voi come un insieme di stretti sentieri, che a partire da punti in cui si trovano tutti i diversi gruppi viventi di eucarioti convergono, in lontananza, verso un antenato comune. Partendo dal punto in cui ci troviamo noi mammiferi, percorriamo il sentiero e torniamo indietro nella storia, oltre il bivio in cui il nostro lignaggio si è separato da quello dei rettili e degli uccelli, oltre i punti di deviazione che portano ai pesci, alle stelle marine e agli insetti, e poi ancora più lontano, oltre il bivio che ci separa dai funghi. Se ci giriamo a guardare indietro, tutti i diversi organismi superati rientrano in uno solo dei sei supergruppi di eucarioti. Gli emimastigoti sono ancora più in là, in un supergruppo a sé stante, su un sentiero che non è stato percorso da alcun altro organismo.

Fabien Burki, biologo dell’Università di Uppsala, che non è stato coinvolto in questo studio, si è detto felice del risultato, ma non del tutto sorpreso. “È un po’ come cercare la vita su altri pianeti”, ha osservato. “Quando finalmente la troveremo, non credo che saremo molto sorpresi, ma sarà una scoperta enorme”.

Burki, Simpson, Eglit e molti altri pensano anche che ci sia molto altro da scoprire a proposito dell’albero della vita, in gran parte a causa della velocità con cui sta cambiando. “L’albero della vita viene rimodellato da nuovi dati. È davvero molto diverso anche da quello che era 15 o 20 anni fa”, ha detto Burki. “Stiamo vedendo un albero con molti più rami di quanto pensassimo”.

Trovare un lignaggio così distinto come gli emimastigoti è ancora relativamente raro, ma se si scende di un livello o due della gerarchia, fino al semplice livello del regno - quello che comprende, per esempio, tutti gli animali - si scopre che spuntano nuovi grandi lignaggi al ritmo di uno all’anno. “Questo tasso non sta rallentando, e anzi potrebbe accelerare”, ha detto Simpson.

La disponibilità di tecnologie di sequenziamento più potenti, come la trascrittomica a cellula singola, concorre a questa tendenza per gli eucarioti, soprattutto per gruppi “notoriamente sconosciuti”, permettendo ai ricercatori di ricavare DNA utilizzabile pure da singoli campioni. Ma Eme avverte che questi metodi richiedono ancora l’occhio attento degli esperti, come Eglit, “in modo da poter osservare proprio ciò che vogliamo guardare”.



Un altro tipo di sequenziamento, chiamato metagenomica, potrebbe accelerare ulteriormente le scoperte. I ricercatori possono ora avventurarsi sul campo, prelevare un campione di sporco sul loro cammino o un biofilm da una fumarola nera in alto mare, e sequenziare tutto ciò che c’è nel campione. Il problema è che di solito si trova solo un frammento di un gene. Per batteri e archea (Archaea) - organismi in altri due domini della vita distinti da quello degli eucarioti - questo è di solito sufficiente: la metagenomica è stata alla base di recenti scoperte enormi, come quella degli Asgard archaea, un vastissimo phylum di archea sconosciuto alla scienza fino a circa tre anni fa.

Ma per gli eucarioti, che tendono ad avere genomi più grandi e complessi, la metagenomica costituisce un metodo fastidiosamente problematico per studiare un campione. Rivela molti tipi di organismi che vivono in un ambiente, “ma a meno che non si abbia una sequenza di riferimento più ampia e conosciuta, è molto difficile inserire tutte queste cose diverse in un quadro evolutivo”, ha detto Burki. Ecco perché, secondo Simpson, la maggior parte delle linee eucariotiche recenti, molto profonde, sono state scoperte alla “vecchia maniera”, attraverso l’identificazione di un bizzarro protista in laboratorio e il suo sequenziamento.

“Ma i due metodi sono complementari e danno informazioni l’uno all’altro”, ha detto Simpson. Per esempio, è ormai chiaro che gli emimastigoti erano presenti in banche date metagneomiche già pubblicate. Eppure “non avevamo modo di riconoscerli finché non abbiamo avuto a disposizione sequenze di emimastigote più lunghe con cui confrontarli”, ha detto. La metagenomica può indicare potenziali “punti caldi” di diversità sconosciuta, e una sequenziamento più approfondito può rendere i dati metagenomici più significativi.

Il futuro è luminoso per i ricercatori che catalogano le diversità, sia in ambienti ordinari che straordinari. Gli strumenti metagenomici ci permettono di esplorare ambienti estremi - come i sedimenti vicino alle fumarole idrotermali dove sono stati trovati gli Asgard archea - i ricercatori però possono trovare nuovi lignaggi anche nei loro cortili. “Questo nuovo lignaggio è stato scoperto da una specializzanda durante un’escursione durante cui ha raccolto un po’ di sporcizia”, ha detto Burki. “Immaginate se potessimo analizzare ogni ambiente della Terra”.

Mentre gli scienziati continuano a riempire l’albero, gli algoritmi usati per aggiungere rami diventeranno più efficienti, secondo Eme. Questo aiuterà i ricercatori a definire con maggiore risoluzione le divaricazioni più profonde e antiche nella storia della vita. “La nostra comprensione di come si è dispiegata la vita è ancora molto incompleta”, ha detto Burki. Domande relative al perché sono emersi gli eucarioti o come si è evoluta la fotosintesi rimangono senza risposta poiché “non abbiamo un albero abbastanza stabile e definito per individuare dove sono avvenuti questi eventi chiave”, ha detto Burki.

Oltre a rispondere a queste domande fondamentali, la semplice gioia della scoperta motiva ricercatori come Burki e Eglit. “Il mondo dei microrganismi è una frontiera aperta”, ha detto Eglit. “È emozionante esplorare ciò che c’è là fuori”.

ENGLISH

A strange micro-organism called hemimastigote is not an animal, nor a plant nor a fungus or a protozoan. Discovered recently, it belongs to a "supergroup" of its own life and suggests that the new sequencing technologies will show us an incredible biodiversity yet to be explored.

The tree of life has just acquired another important branch. Recently, in a sample of soil from Nova Scotia, a province of Canada overlooking the Atlantic Ocean, some researchers have found a rare and mysterious singular microorganism, called hemimastigote (or hemimastigotes or even hemimastigophores). The analysis of his DNA revealed that it is neither an animal, nor a plant or a fungus, nor even any known type of protozoon; in fact it does not fall into any of the large known categories of the classification of complex life forms (eukaryotes). This natural quarrel with scourges is the first member of its own group, a "super-group", which has probably detached itself from the other major branches of life at least a billion years ago.

"It's the kind of result you hope to see once in your career," said Alastair Simpson, a microbiologist at Dalhousie University in Halifax, Nova Scotia, who carried out the study.

The discovery of hemimastigotes is in itself impressive, but what matters most is that it is only the last (and most significant) of a growing number of important taxonomic additions to the tree of life. Researchers continue to discover not only new species or classes, but also new kingdoms, and this raises questions about why they have been hidden for so long and how close we are to finding them all.

Yana Eglit is a graduate of Dalhousie University who has dedicated herself to the discovery of the new lineages of the unicellular eukaryotes called protists. A cold spring day 2016, while walking in a town in Nova Scotia with some friends, was left behind to scrape a few grams of dirt into a plastic tube. Back in the laboratory, she immersed her sample in water, and the following month she began periodically checking the microscope to detect any signs of unusual life.

One evening, something strange in the sample caught his attention. An elongated cell from which whip-shaped flagella irradiated "was swimming awkwardly, as if not realizing that all those scourges could help her move," recalls Eglit. Increasing the magnification, he saw that it corresponded to the description of a hemimastygote, a rare type of protist notoriously difficult to keep in culture. The following morning, the laboratory was in turmoil for the opportunity to describe and sequence the sample. "We have left everything else behind", he recalls.

Hemimastigotes are one of the few lineages of "notoriously unknown" protists, groups of which there is only a partial description, whose position on the tree of life is not well defined because it is difficult to keep them in culture and, therefore, sequencing the genome. The experts of the protists have used the peculiarities of the structure of the hemimastigotes to hypothesize the evolutionary kinships, but their hypotheses had been "impallinated" by the critics, as Simpson says, wherever they had phylogenetically placed them. In the absence of molecular data, the lineages of organisms such as hemimastigotes remained without a known ancestry.

But a new method, the unicellular transcriptomics, has revolutionized these studies. It allows researchers to sequence a large number of genes from a single cell. Gordon Lax, another specializing in the Simpson laboratory and an expert on this method, explains that for organisms difficult to study such as hemimastigotes, single-cell transcriptomics can produce genetic data of a quality that was previously reserved for organisms for which it was possible to of many cells, finally making more accurate genomic comparisons possible.

The group has sequenced more than 300 genes and Laura Eme, now a postdoctoral researcher at the University of Uppsala, Sweden, has developed a model of how these genes have evolved to then establish the classification of hemimastigotes. "We expected them to be in one of the existing supergroups," he explained. Instead, the lab members were surprised to find that hemimastigotes do not adapt to any part of the tree of life. They represent a lineage distinct from the half dozen known supergruppe.

To understand how the lineage of hemimastigotes is evolutionarily distinct, imagine the eucariotics tree unfolding before you as a set of narrow paths, which from the points where all the different living groups of eukaryotes are found converge, in the distance, towards a common ancestor. Starting from the point where we find ourselves mammals, we walk the path and go back in history, beyond the junction where our lineage has separated from that of reptiles and birds, over the points of deviation that lead to fish, to the stars marine and insects, and then even farther, beyond the junction that separates us from the mushrooms. If we turn around and look back, all the different organisms outweighed into one of the six eukaryote supergroups. The hemimastigotes are even further away, in a separate supergroup, on a path that has not been traveled by any other organism.

Fabien Burki, a biologist from the University of Uppsala, who was not involved in this study, said he was happy with the result, but not entirely surprised. "It's a bit like looking for life on other planets," he noted. "When we finally find it, I do not think we'll be very surprised, but it will be a huge discovery."

Burki, Simpson, Eglit and many others also think that there is much more to discover about the tree of life, largely due to the speed with which it is changing. "The tree of life is being reshaped by new data. It's really very different even from what was 15 or 20 years ago, "Burki said. "We are seeing a tree with many more branches than we thought".

Finding such a distinguished lineage as the hemimastigotes is still relatively rare, but if you go down a level or two of the hierarchy, down to the simple level of the realm - which includes, for example, all the animals - it turns out that big new lineages spring up. at the rate of one per year. "This rate is not slowing down, and could even accelerate," said Simpson.

The availability of more powerful sequencing technologies, such as single-cell transcriptomics, contributes to this tendency for eukaryotes, especially for "notoriously unknown" groups, allowing researchers to derive DNA that can also be used by single samples. But Eme warns that these methods still require the expert eye of experts, such as Eglit, "so that we can observe precisely what we want to look at".

Another type of sequencing, called metagenomics, could further accelerate discoveries. Researchers can now venture into the field, take a sample of dirt on their path or a biofilm from a black fumarole on the high seas, and sequester everything in the sample. The problem is that usually only a fragment of a gene is found. For bacteria and archea (Archaea) - organisms in other two domains of life distinct from that of eukaryotes - this is usually sufficient: metagenomics has been the basis of recent enormous discoveries, such as that of the Asgard archaea, a vast phylum of unknown archea to science until about three years ago.

But for eukaryotes, which tend to have larger and more complex genomes, metagenomics is an annoyingly troublesome way to study a sample. It reveals many types of organisms living in an environment, "but unless you have a larger and more widely known reference sequence, it's very difficult to put all these different things in an evolutionary framework," Burki said. This is why, according to Simpson, most of the recent, very deep eukaryotic lines were discovered in the "old fashioned" way, through the identification of a bizarre protista in the laboratory and its sequencing.

"But the two methods are complementary and give information to each other," said Simpson. For example, it is now clear that hemimastigotes were present in already published metagneomic databases. Yet "we had no way of recognizing them until we had longer sequences of hemimastigotes available to compare with," he said. Metagenomics can indicate potential "hot spots" of unknown diversity, and more detailed sequencing can make the metagenomics data more meaningful.

The future is bright for researchers who catalog diversity, both in ordinary and extraordinary environments. Metagenomics tools allow us to explore extreme environments - such as sediments near hydrothermal fumaroles where the Asgard archea have been found - but researchers can find new lineages even in their backyards. "This new lineage was discovered by a resident during an excursion during which he collected some dirt," Burki said. "Imagine if we could analyze every environment on Earth".

As scientists continue to fill the tree, the algorithms used to add branches will become more efficient, according to Eme. This will help researchers to define the deeper and older divisions in the history of life with greater resolution. "Our understanding of how life has unfolded is still very incomplete," Burki said. Questions related to why eukaryotes emerged or how photosynthesis evolved remain unanswered as "we do not have a fairly stable and defined tree to identify where these key events occurred," Burki said.

In addition to answering these fundamental questions, the simple joy of discovery motivates researchers like Burki and Eglit. "The world of microorganisms is an open frontier," said Eglit. "It's exciting to explore what's out there".

Da:

http://www.lescienze.it/news/2018/12/18/news/microrganismo_emimastigote_nuovo_supergruppo_eucarioti-4228221/?ref=nl-Le-Scienze_21-12-2018

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