Predizione della complessità cellulare eucariotica negli archaea Asgard mediante modellazione strutturale

Microbi antichi con una complessità nascosta

La vita come la conosciamo dipende dalle cellule eucariotiche—cellule con compartimenti interni, come il nucleo e i mitocondri. Il modo in cui cellule così intricate siano evolute da antenati microbici più semplici è da tempo uno dei quesiti più profondi della biologia. Questo studio si concentra su un gruppo poco noto di archaea chiamati Asgard e si chiede: questi microbi possiedono già i mattoni molecolari necessari per la complessità osservata nelle nostre cellule?

Uno sguardo nel mondo delle proteine degli Asgard

Per indagare, i ricercatori hanno assemblato una vasta raccolta genomica proveniente da 936 archaea Asgard, molti dei quali noti solo tramite frammenti di DNA in campioni ambientali. Questi genomi codificano milioni di proteine, la maggior parte poco comprese. Invece di affidarsi soltanto alla somiglianza diretta delle sequenze, che spesso fallisce su scale evolutive molto lunghe, il team ha previsto le strutture tridimensionali di proteine rappresentative tratte dal “pangenoma” degli Asgard. Utilizzando potenti algoritmi originariamente sviluppati per il folding proteico, hanno generato modelli strutturali ad alta confidenza per più di 37.000 famiglie di proteine.

Vedere somiglianze dove le sequenze divergono

Le sequenze proteiche cambiano rapidamente in miliardi di anni, ma le loro forme complessive risultano spesso molto più conservate. Gli autori hanno sfruttato questo confrontando le strutture proteiche previste per gli Asgard con un vasto database di strutture note e previste provenienti da tutti i domini della vita. Hanno quindi valutato, per ciascuna famiglia proteica degli Asgard, se le corrispondenze strutturali più vicine fossero distribuite in modo sproporzionato negli eucarioti. Quando si osservava tale arricchimento, hanno classificato le proteine Asgard come «proteine segnatura eucariotica isomorfiche», o iESP—proteine la cui forma, più che la sequenza, richiama fortemente quella di proteine eucariotiche associate alla biologia cellulare complessa.

Triplicare il repertorio di proteine simili a quelle eucariotiche

Questo approccio strutturale ha portato alla scoperta di 1.319 iESP precedentemente non riconosciute e ha mostrato che, raggruppate in cluster strutturali correlati, gli archaea Asgard contengono 908 famiglie distinte di proteine con forti affinità eucariotiche—più di tre volte il numero identificato da ricerche precedenti basate sulle sequenze. Molte appartengono a sistemi per l’immagazzinamento e la gestione dell’informazione, come la traduzione e la biogenesi dei ribosomi, oltre che a vie metaboliche che difendono dal danno ossidativo o che gestiscono molecole complesse. Ciò suggerisce che l’antenato archeale degli eucarioti possedesse già un kit molecolare più ricco e sofisticato di quanto i soli genomi avessero lasciato intuire.

Indizi sui primi compartimenti cellulari

Alcune delle scoperte più sorprendenti riguardano proteine legate all’organizzazione interna delle cellule eucariotiche. Il team ha identificato versioni Asgard della major vault protein, che negli eucarioti si assemblano in enormi particelle ribonucleoproteiche a forma di botte implicate nel trasporto e nelle risposte allo stress. Hanno anche scoperto parenti Asgard delle proteine COMMD del complesso Commander, che contribuiscono al riciclo delle proteine di membrana negli endosomi. Inoltre, hanno trovato fonti presenti solo negli Asgard per Ufm1, un modificatore simile all’ubiquitina coinvolto nella segnalazione da stress, e per CINP, un partner delle chinasi del ciclo cellulare che svolge ruoli nella replicazione del DNA e nella produzione dei ribosomi. Questi legami implicano che componenti di elaborati sistemi eucariotici di trasporto e controllo possano risalire ad antenati Asgard.

Riscrivere la storia delle nostre origini cellulari

Considerati nel loro insieme, i risultati delineano un quadro degli archaea Asgard ben lontano dalla semplicità. I loro genomi codificano molte proteine le cui forme corrispondono a quelle che sostengono l’organizzazione complessa, la gestione dell’informazione e il metabolismo delle cellule eucariotiche. Sebbene la sola struttura non possa provare un’ascendenza diretta per ogni famiglia proteica, essa rivela connessioni profonde che il confronto delle sequenze non coglie. Per un pubblico non specialista, il messaggio chiave è che il salto da microbi semplici a cellule complesse è probabilmente stato colmato da organismi simili agli Asgard già dotati di gran parte dei macchinari molecolari su cui le nostre cellule contano ancora oggi.

Citazione: Köstlbacher, S., van Hooff, J.J.E., Panagiotou, K. et al. Prediction of eukaryotic cellular complexity in Asgard archaea using structural modelling. Nat Microbiol 11, 747–758 (2026). https://doi.org/10.1038/s41564-026-02273-y

Parole chiave: archaea Asgard, evoluzione della cellula eucariotica, modellazione della struttura proteica, complessità cellulare, proteine segnatura eucariotica