Anche negli ambienti più inospitali della Terra, la vita ha preso piede.

Gli estremofili sono gli organismi più noti per resistere a temperature estreme, pH, salinità, e persino la fame di nutrienti. Hanno evoluto meccanismi speciali che consentono loro di sopravvivere nei loro ambienti, ma arrivare al fondo di quella resilienza richiede un interrogatorio mirato e metodico.

Al Parco Nazionale di Yellowstone e siti simili, gli estremofili risiedono in ambienti come sorgenti calde acide o suoli termali acidi. Eccoli esposti, spesso a intermittenza, ad alcuni dei pH più bassi presenti in natura sulla Terra, e temperature prossime al punto di ebollizione dell'acqua. Per sopravvivere in queste condizioni rapidamente fluttuanti, gli organismi si proteggono con membrane complesse, composto da lipidi interconnessi legati alla loro spina dorsale con forti legami eterei, piuttosto che i legami esteri che si trovano più comunemente negli eucarioti e nei batteri.

Nel Sulfolobus acidocaldarius, un archeon che vive nell'acido alto, ambienti ad alta temperatura che sono comuni a Yellowstone, i lipidi della membrana cellulare chiamati glicerolo dialchil glicerolo tetraetere (GDGT) sono legati a una rara molecola simile allo zucchero chiamata calditolo. Un gruppo di scienziati ha recentemente pubblicato i risultati in Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze ( PNAS ), identificare come viene prodotto il calditolo nella cellula e come, nello specifico, è responsabile della tolleranza agli acidi in questi organismi. Il lavoro sta aiutando gli scienziati ad avvicinarsi alla comprensione di come la vita si è evoluta per sopravvivere in ambienti estremi.

Ruggero Evoca, lo Schlumberger Professor di Geobiologia nel Dipartimento della Terra del MIT, Scienze atmosferiche e planetarie (EAPS) e uno degli autori dello studio, accredita i progressi nella biologia molecolare, bioinformatica, e strategie mirate di delezione genica per consentire questa scoperta.

"L'era della genomica ha portato una gamma di nuovi strumenti per far progredire la ricerca sui biomarcatori lipidici, " Evoca dice. Paula Welander, un ex postdoc EAPS nel Summons Lab e ora assistente professore presso il Dipartimento di Scienze del sistema terrestre della Stanford University, ha diretto lo studio che è stato condotto anche da Zhirui Zeng e Jeremy H. Wei a Stanford, e Xiao-lei Liu, un assistente professore di geochimica organica presso l'Università dell'Oklahoma.

"Questo studio è un eccellente esempio di come un approccio interdisciplinare, compresi fisiologi microbici e geochimici organici, può affrontare questioni in sospeso riguardanti i biomarcatori lipidici, "dice Welander.

Per identificare il ruolo del calditolo nelle membrane di Sulfolobus acidocaldarius, i ricercatori hanno utilizzato strumenti nella genomica comparativa, delezione genica, e analisi dei lipidi per concentrarsi su una particolare proteina all'interno della classe degli enzimi radicali S-andenosilmetionina (SAM) necessaria per sintetizzare il calditolo. Quando hanno cercato cosa codificasse quella proteina nei genomi archeali che producono calditolo, hanno trovato solo pochi geni candidati.

Per testare l'importanza della proteina per la tolleranza agli acidi, i ricercatori hanno creato mutanti, con i geni relativi alla membrana eliminati, e hanno analizzato i loro lipidi. Sottoponendo il mutante senza calditolo a condizioni altamente acide, i ricercatori sono stati in grado di confermare la vera funzione del componente calditolo della membrana. Solo il naturale, Sulfolobus produttore di calditolo e il ceppo mutante con il gene radicale-SAM ripristinato, sono stati in grado di crescere dopo un significativo calo del pH.

"Mentre Welander e colleghi hanno dimostrato la presenza di geni di biosintesi dei lipidi radicali-SAM nei batteri, questa è la prima volta che uno è stato identificato inequivocabilmente in archaea, " Summons dice. "Calditol-legato ai lipidi di membrana in questi organismi conferisce significativi effetti protettivi".

Welander aggiunge:"I ricercatori hanno ipotizzato per molti anni che la produzione di calditolo avrebbe fornito questo tipo di effetto protettivo, ma questo non è stato dimostrato direttamente. Qui finalmente mostriamo direttamente questo collegamento."

Ancora di più, il fatto che una proteina SAM radicale sia coinvolta nel collegamento del calditolo alle membrane potrebbe aiutare gli scienziati a comprendere meglio la chimica e l'evoluzione dei lipidi di membrana da un'ampia varietà di ambienti in tutto il pianeta.

Summons afferma che il risultato parla della "possibile presenza di una varietà di altre sostanze chimiche radicali per modificare i lipidi di membrana una volta che sono stati sintetizzati".

"A sua volta, questo potrebbe aiutarci a comprendere meglio la biosintesi di altri lipidi specifici dell'archea e aiutarci a scrivere la storia evolutiva di queste membrane sorprendentemente distintive, " lui dice.