Per comprendere meglio l’orologio circadiano dei cianobatteri moderni, un gruppo di ricercatori giapponesi ha studiato gli antichi sistemi di misurazione del tempo. Hanno studiato l’oscillazione delle proteine dell’orologio KaiA, KaiB e KaiC (proteine Kai) nei cianobatteri moderni e l’hanno confrontata con la funzione delle proteine Kai dei loro antenati. I risultati della ricerca sono stati pubblicati su Nature Communications.

Una migliore comprensione dell’origine fisiologica dei sistemi di orologio circadiano

“I cianobatteri odierni utilizzano un orologio circadiano per prevedere il ciclo luce-buio della Terra in base alla sua rotazione, ottenendo così reazioni fotosintetiche efficienti. Volevamo sapere quando gli antichi batteri hanno sviluppato l’orologio circadiano e come questa caratteristica è stata trasmessa ai cianobatteri di oggi”, spiega Atsushi Mukaiyama, professore associato presso la Fukui Prefectural University.

I cianobatteri, talvolta chiamati alghe blu-verdi, sono batteri fotosintetici che hanno un’importante influenza sugli oceani e sull’atmosfera della Terra. Gli scienziati sanno che l’ultimo antenato comune dei cianobatteri è emerso circa 3 miliardi di anni fa. Si è evoluto nell’ecosistema odierno durante il Grande evento di ossidazione, avvenuto circa 2,3 miliardi di anni fa, quando il contenuto di ossigeno nell’atmosfera terrestre è aumentato. Questo sviluppo è proseguito durante almeno due eventi della Terra a palla di neve, circa 2,4 e 0,7 miliardi di anni fa, quando il pianeta era coperto di ghiaccio, e durante l’arricchimento di ossigeno del Neoproterozoico, quando il contenuto di ossigeno della Terra è aumentato una seconda volta. L’arricchimento di ossigeno nel Neoproterozoico avvenne tra 800 e 540 milioni di anni fa.

Sulla base di fossili e modelli evolutivi molecolari, gli scienziati sospettano che il più recente antenato comune dei cianobatteri possedesse già sistemi primitivi di fotosintesi con ossigeno. L’efficienza della fotosintesi è fortemente influenzata dai cicli luce-buio dell’ambiente. Il team di ricerca ha voluto indagare se i cianobatteri primitivi avessero un sistema temporale in cui la fotosintesi diventava attiva durante il Grande Evento di Ossidazione. Questo potrebbe aiutare gli scienziati a capire l’origine fisiologica dei sistemi di orologio circadiano.

L’orologio circadiano dei cianobatteri

Gli scienziati hanno identificato orologi circadiani, cioè timer interni che fanno funzionare un organismo secondo un ritmo di 24 ore, in vari organismi come batteri, funghi, piante e mammiferi. Il team di ricerca ha studiato l’orologio circadiano dei cianobatteri utilizzando il ceppo cianobatterico Synechococcus elongatus. Hanno ricostruito l’oscillatore dell’orologio in provetta utilizzando la proteina dell’orologio KaiC. Hanno anche studiato la funzione e la struttura delle proteine Kai originali per determinare come gli oscillatori autosufficienti delle proteine Kai si siano evoluti nel tempo.

Poiché è noto che i cicli luce-buio influenzano l’efficienza della fotosintesi nei cianobatteri, il team ha voluto scoprire se gli antichi cianobatteri avessero già un orologio circadiano autosufficiente quando hanno avuto luogo gli antichi processi di ossidazione e sono emersi i primi sistemi fotosintetici. Hanno scoperto che i fenomeni ritmici più rapidi erano codificati nelle proteine dell’orologio primordiale. “L’orologio degli antichi cianobatteri era sincronizzato su un ciclo di 18-20 ore. Ciò significa che la storia del periodo di rotazione della Terra potrebbe essere ricostruita tracciando l’evoluzione delle molecole proteiche dell’orologio”, ha spiegato Yoshihiko Furuike, professore assistente presso l’Istituto di Scienze Molecolari.

Evoluzione più rapida

I risultati del team dimostrano che la KaiC più antica dei batteri ancestrali non aveva la funzione e la struttura necessarie per le proprietà ritmiche. Attraverso l’evoluzione molecolare, le proteine Kai degli antenati hanno acquisito la funzione e la struttura necessarie intorno all’epoca dell’ossidazione globale e della Terra a palla di neve. Infine, il più recente antenato comune dei cianobatteri fotosintetici ha ereditato questo oscillatore circadiano autosufficiente. Questi risultati sono estremamente utili agli scienziati per comprendere la cronobiologia. Il nostro obiettivo finale è sviluppare cianobatteri modificati che possano adattarsi ai periodi di rotazione di pianeti e satelliti diversi dalla Terra, accorciando o allungando il periodo dell’oscillatore della proteina Kai”. I cianobatteri hanno impiegato molto tempo per sincronizzare il loro orologio sulle 24 ore, ma con le conoscenze e le tecnologie moderne potremmo ottenere un’evoluzione ancora più rapida”, ha dichiarato Shuji Akiyama, professore dell’Istituto di Scienze Molecolari.