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IL LATO OSCURO DELLA CLOROFILLA: “GUERRE STELLARI” E ALLEANZEINASPETTATE TRA PIANTE E ANIMALIDI TIZIANO VENDRAME

Per chi iniziava le elementari nei tardi anni ‘60, le parole “Clorofilla” e “Funzione Clorofilliana” evocavano qualcosa di misterioso e magico.Il mistero e la magia erano alimentati dalle metafore utilizzate dal libro di testo e dalla maestra: la foglia era una “piccola fabbrica” alimentata dal sole.La metafora della fabbrica era rafforzata dalle “filmine1” didattiche (a colori!) dell’epoca, che noi bambini accoglievamo con grande gioia: la tv era in bianco e nero e internet non esisteva nemmeno nei racconti di fantascienza.Questi video preistorici raffiguravano il cuore della foglia come un improbabile ammasso di tubi, alambicchi e serbatoi.Cose che ovviamente non avevano alcun fondamento scientifico, ma che rimanevano impresse in modo indelebile nella memoria dei piccoli alunni.Crescendo nel mondo scolastico s’impara poi a conoscere in modo sempre più approfondito, e

con maggior cognizione di causa, il “lato buono” della Clorofilla e ciò che vi gira intorno, tra biologia, chimica, cellule, zuccheri, catene alimentari eccetera. Molto più tardi, per chi studia Chimica, si arriva alla struttura dell’Eme (Fischer e il “progressivo accoppiamento dei quadranti2”) e finalmente della Clorofilla.Desta quindi una certa sorpresa scoprire un “lato oscuro” della Clorofilla, ossia la possibilità di agire come un veleno per gli organismi che se ne cibano, in particolare gli insetti.Quando una foglia viene lacerata, l’enzima Clorofillasi, prima isolato in compartimenti separati, entra in contatto con la Clorofilla e ne “taglia” la catena del Fitolo, trasformando la Clorofilla (liposolubile) in Clorofillide (idrosolubile). La Clorofillide così generata ha proprietà tossiche verso gli insetti, sia “intrinseche” che per attivazione fotodinamica (produzione di specie reattive derivate dall’Ossigeno in presenza di

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luce, in particolare Ossigeno singoletto).Questo effetto tuttavia può essere evidenziato solamente in modo artificiale, in quanto gli insetti si sono adattati sviluppando forme di difesa. Per esempio, se s’incrementa l’attività dell’enzima Clorofillasi nella foglia (es. utilizzando piante geneticamente modificate), o se si aumenta la concentrazione di Clorofillide nella dieta dell’insetto (dieta artificiale) si osserva un blocco della crescita e un deperimento.3 Una forma di adattamento degli insetti erbivori è la complessazione della Clorofillide nell’intestino con

proteine specifiche, appartenenti alla classe delle Policaline. Il complesso risultante viene spesso indicato come “Red Fluorescent Protein” (RFP) nel caso del baco da seta (Bombyx mori), e in questa specie ha la caratteristica di contenere due gruppi tetrapirrolici legati a ciascuna molecola di proteina.4

La cosa intrigante è che il complesso Clorofillide-proteina dimostra, in presenza di luce, spiccate proprietà antivirali,5 il che spiegherebbe la maggior resistenza dei bachi da seta ad alcune malattie virali, quando alimentati con dieta ricca di Clorofilla e mantenuti in presenza di luce.6 7

1 “Film-strip”, antenato delle diapositive e di power-point.

2 Chimica organica superiore - di Henry Gilman – Ed. scientifiche Einaudi, 1956 – Vol. II, pag. 1424.

3 Reexamination of Chlorophyllase Function Implies Its Involvement in Defense against Chewing Herbivores (Plant Physiology Vol. 167, Issue 3, Mar 2015 DOI: 10.1104/pp.114.252023).Link: http://www.plantphysiol.org/content/167/3/660.long

4 A unique red fluorescent protein of silkworm bearing two photochromic moieties (Photochem. Photobiol. Sci., 2009,8, 1364-1372 DOI:10.1039/B904102H).

5 The profiles of red fluorescent proteins with antinucleopolyhedrovirus activity in races of the silkworm Bombyx mori (J Insect Physiol. 2011 Dec;57(12):1707-14. DOI 10.1016/j.jinsphys.2011.09.009).

6 Bombyx mori Midgut Membrane Protein P252, Which Binds to Bacillus thuringiensis Cry1A, Is a Chlorophyllide-Binding Protein, and the Resulting Complex Has Antimicrobial Activity (APPLIED AND ENVIRONMENTAL MICROBIOLOGY, Mar. 2008, p. 1324–1331 Vol. 74, No. 5 DOI:10.1128/AEM.01901-07). Link: http://aem.asm.org/content/74/5/1324.full

7 Antiviral activity in the mulberry silkworm, Bombyx mori L. (J. Zhejiang Univ. - Sci. A (2006) 7(Suppl 2): 350 DOI 10.1631/jzus.2006.AS0350).

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Un adattamento similare in diverse specie di insetti è il rivestimento delle pareti dell’intestino con una proteina in grado di legare in modo specifico la Clorofillide, dando un complesso che ha una possibile azione di difesa contro la flora batterica intestinale.8 Si riscontra così un caso ricorrente nell’ecologia chimica, ossia non solo “l’inertizzazione” di una tossina proveniente dalla catena alimentare, ma anche la sua rielaborazione e utilizzo a vantaggio dell’organismo.Collegati all’attività fotodinamica dei metaboliti della Clorofilla vi sono numerosi studi sulle possibilità di impiego in campo terapeutico, su alcuni tipi di tumore (quindi torniamo al “lato buono” della Clorofilla!).9 Degno di nota è che molti di questi studi sono partiti dalle indagini su un particolare “principio attivo” utilizzato nella medicina tradizionale cinese, ossia i “cacherelli” dei bachi da seta.10

Tornando alle relazioni “dirette” Clorofilla/animali, meritano un accenno i casi di simbiosi, in cui i due organismi (vegetale/animale) traggono vantaggio reciproco dalla relazione. Oltre alla classica simbiosi coralli/alghe, vale la pena ricordare i casi meno scontati molluschi/alghe, e tra questi uno “spettacolare” riguarda la “lumaca di mare” (sea slug) Elysia chlorotica. La particolarità è che l’animale estrae dalle alghe che mangia i cloroplasti e li mantiene attivi e funzionali per mesi nei propri tessuti (non è proprio una bella simbiosi, per l’alga!).11 Questa “simbiosi” può consentire all’animale, in assenza di cibo (le alghe di cui si nutre), di vivere per mesi contando solo sulla fotosintesi dei cloroplasti “catturati”.12 Tuttavia un aspetto ancora più rilevante, in cui si fa evanescente la distinzione animale/pianta, è che oltre a continuare la sintesi di Clorofilla nei cloroplasti simbionti (cosa già di per sé complicata, al di fuori dell’organismo originario), alcuni geni che controllano la sintesi della Clorofilla vengono trasferiti dall’alga al DNA

8 The Green Gut: Chlorophyll Degradation in the Gut of Spodoptera littoralis (J ChemEcol 2015 Nov;41(11):965-74 - DOI 10.1007/s10886-015-0636-0). Link: https://www.researchgate.net/publication/282868436_The_Green_Gut_Chlorophyll_Degradation_in_the_Gut_of_Spodoptera_littoralis

9 Chlorophyll Sensitizers in Photodynamic Therapy (capitolo di “Chlorophylls and Bacteriochlorophylls: Biochemistry, Biophysics, Functions and Applications”) - DOI 10.1007/1-4020-4516-6_32 – Link: https://www.researchgate.net/publication/225835220_Chlorophyll_Sensitizers_in_Photodynamic_Therapy

10 Chlorophyll derivatives (CpD) extracted from silk worm excreta are specifically cytotoxic to tumor cells in vitro (Yonsei Med J. 1990 Sep;31(3):225-233- DOI 10.3349/ymj.1990.31.3.225). Link: https://www.eymj.org/Synapse/Data/PDFData/0069YMJ/ymj-31-225.pdf

11 Solar-Powered Sea Slugs. Mollusc/Algal Chloroplast Symbiosis (Plant Physiology Vol. 123, Issue 1 May 2000DOI 10.1104/pp.123.1.29). Link: http://www.plantphysiol.org/content/123/1/29

12 The making of a photosynthetic animal (Journal of Experimental Biology 2011 214: 303-311; - DOI 10.1242/jeb.046540). Link: http://jeb.biologists.org/content/214/2/303.short

13 Chlorophyll a synthesis by an animal using transferred algal nuclear genes. (Symbiosis. 49. 121-131 - DOI: 10.1007/s13199-009-0044-8). Link: https://www.researchgate.net/publication/226053724_Chlorophyll_a_synthesis_by_an_animal_using_transferred_algal_nuclear_genes

14 Intracellular invasion of green algae in a salamander host (Proc Natl Acad Sci USA. 2011 Apr 19; 108(16): 6497–6502 - DOI 10.1073/pnas.1018259108). Link: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3080989/

15 The Photosynthetic Eukaryote Nannochloris eukaryotum as an Intracellular Machine To Control and Expand Functionality of Human Cells (Nano Lett. 2014 May 14;14(5):2720-5. doi: 10.1021/nl500655h) L’articolo è a pagamento, ma la “Supporting info” dà interessanti dettagli.

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dell’animale ed espressi: cellule del mollusco producono Clorofilla!13 Salendo nella scala evolutiva, un caso ben noto nei vertebrati è la simbiosi (vera) tra le uova e gli embrioni della Salamandra maculata del Nordamerica (Ambystoma maculatum) e l’alga verde unicellulare Oophila amblystomatis.14 Notevole il fatto che l’alga simbionte viene trasmessa da una generazione all’altra di salamandre nelle uova.Meno scontato è che anche le cellule umane possano entrare in simbiosi con alghe unicellulari,

in particolare con Nannochloris eukaryotum, un’alga verde unicellulare isolata presso le coste dell’ex Jugoslavia.15 Le cellule ospiti umane sono in grado di utilizzare l’attività fotosintetica del simbionte per la propria sopravvivenza, mentre modulando l’intensità luminosa è possibile influenzare alcuni aspetti del metabolismo delle cellule ospiti.Qui l’aspetto “oscuro” non è tanto nel fatto in sé (la Natura fa sempre ciò che vuole!), quanto nella finalità dei possibili sviluppi di tali ricerche.

Figura tratta da: Reexamination of Chlorophyllase Function Implies Its Involvement in Defense against Chewing Herbivores