Elysia chlorotica: la lumaca marina che ruba i cloroplasti alle alghe e vive di fotosintesi

In una pozza di marea della costa orientale degli Stati Uniti, tra Nuova Scozia e Florida, si muove una piccola lumaca lunga al massimo 6 cm. Ha la forma di una foglia, è verde brillante, e se non fosse per i due tentacoli, sembrerebbe un pezzo di alga. Si chiama Elysia chlorotica ed è uno degli animali più strani che la biologia conosca: per circa un anno della sua vita adulta fa fotosintesi. Non grazie ad alghe simbionti come fanno i coralli, ma usando direttamente i cloroplasti che ha rubato a un'alga e che continuano a funzionare dentro le sue cellule.

Il pasto unico della vita

Elysia chlorotica appartiene ai Sacoglossa, un piccolo gruppo di gasteropodi opistobranchi. La larva nuota libera, si nutre di plancton e cresce. Poi, alla fase di metamorfosi, succede una cosa fondamentale: trova il proprio unico bersaglio nutrizionale, l'alga gialla Vaucheria litorea, e da quel momento mangia praticamente solo lei. Forando il filamento algale con una radula a forma di lanciotto, succhia il contenuto cellulare. La maggior parte degli organelli viene digerita, ma i cloroplasti no: vengono separati e incorporati intatti dentro le grandi cellule digerenti del diverticolo digerente che ramifica in tutto il corpo. Questo fenomeno, chiamato cleptoplastia, è descritto in modo magistrale nella review di Mary Rumpho su Journal of Experimental Biology del 2011: The making of a photosynthetic animal.

Cloroplasti che lavorano per quasi un anno

Il dato che ha sconvolto i biologi è che i cloroplasti di Vaucheria, dentro le cellule di Elysia, continuano a fare fotosintesi per 10-12 mesi consecutivi. È un tempo enorme. Nelle altre specie di Sacoglossa la cleptoplastia funziona per qualche giorno o settimana, perché i cloroplasti, separati dal nucleo dell'alga, perdono le proteine necessarie alla loro manutenzione. Elysia chlorotica sembra invece in grado di mantenerli: studi pubblicati su PNAS già nel 2008 da Mary Rumpho hanno mostrato che alcuni geni nucleari algali come psbO sono presenti anche nel DNA della lumaca, e che vengono trascritti. Da qui l'ipotesi del trasferimento orizzontale di geni dall'alga all'animale.

La controversia genetica

L'ipotesi del trasferimento genico orizzontale, però, è ancora discussa. Nel 2013 il gruppo di Sidney Pierce dell'Università del South Florida pubblicò su Molecular Biology and Evolution uno studio (Genome Analysis of Elysia chlorotica Egg DNA) in cui non trovava tracce di geni algali nel DNA delle uova: il trasferimento non sarebbe nella linea germinale. Nel 2015 lo stesso Pierce contro-rispose con un articolo su The Biological Bulletin, in cui — usando ibridazione fluorescente in situ — affermava di localizzare il gene prk dell'alga su un cromosoma metafasico della lumaca. Il dibattito è ancora aperto: forse i cloroplasti sono solo straordinariamente longevi, forse la lumaca produce le proteine mancanti con percorsi ridondanti propri, forse riceve un piccolo aiuto genetico horizontale ogni volta che si nutre.

Il genoma sequenziato nel 2019

Nel 2019 il gruppo internazionale di Debashish Bhattacharya della Rutgers University ha pubblicato su Scientific Data un draft del genoma di Elysia chlorotica: 557 milioni di paia di basi, 24.980 geni codificanti proteine, 32,6% di sequenze ripetitive. L'analisi non ha confermato un trasferimento massivo di geni algali, ma ha trovato una famiglia molto espansa di geni di stress ossidativo — esattamente quella che servirebbe per gestire i radicali liberi prodotti durante la fotosintesi prolungata. È una pista intrigante: invece di rubare geni, Elysia avrebbe evoluto proteine difensive proprie per proteggere i cloroplasti rubati.

Una vita strutturata sulla luce

La fotosintesi non è solo un bonus per Elysia: è una parte cruciale del suo ciclo vitale. Quando arriva l'inverno e le piante algali muoiono nelle paludi, le lumache già sazie continuano a vivere con la sola luce solare, depongono le uova e poi muoiono al termine dell'unica generazione annuale. La cleptoplastia non è solo un fenomeno biologico stupefacente: è un sistema di assicurazione contro la stagionalità. La famosa Britannica riassume questo aspetto nella sua scheda di Elysia chlorotica: la fotosintesi sostiene fino al 60% dell'energia richiesta per il routine metabolism della lumaca adulta.

Cosa ci insegna

Capire come una lumaca riesca a mantenere funzionanti cloroplasti di un altro organismo per quasi un anno apre prospettive enormi sulla biologia sintetica: trapiantare cloroplasti in cellule animali umane (per esempio epatociti), come ha proposto il gruppo di Sara Madsen di Copenaghen in studi preliminari, potrebbe un giorno permettere di costruire tessuti che producono ossigeno per via fotosintetica. Per ora Elysia chlorotica è l'unica creatura del pianeta a cui questo riesce naturalmente. Ed è solo un piccolo gasteropode di pochi centimetri.