Metallosphaera sedula

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Caratteristiche

Metallosphaera sedula è una specie di Metallosphaera che è stata isolata per la prima volta in terreni vulcanici sulla nostra bellissima penisola nel Mediterraneo, l’Italia. Il suo nome trova una traduzione grossolana nella frase “Sfera che mobilita i metalli“.

Metallosphaera è un genere di microorganismi aerobici termoacidofili in grado tendenzialmente di mobilitare i metalli. Alcuni rappresentanti di questo genere sono inoltre in grado di fissare il diossido di carbonio (Metallosphaera yellowstonensis).

M. sedula, grazie alla sua capacità di ossidare la pirite (minerale molto comune composto da disolfuro di ferro II), possiede un potenziale impiego industriale per la de-piritizzazione del carbone. La domanda sorge quindi spontanea: “perché dovremmo togliere i solfuri dal carbone?”.

Innanzitutto, la presenza di zolfo nella combustione delle risorse fossili causa un aumento dell’acidità delle piogge riducendo drasticamente il pH. Inoltre, con una maggiore consapevolezza ambientale dei problemi legati ai processi combustivi, è nata l’idea della mitigazione dell’inquinamento da carbone servendosi di “carbone pulito”. Per creare questo particolare tipo di combustibile il primo passo è rimuovere le impurità, come ad esempio lo zolfo trovato nella pirite prima della combustione.  La rimozione abiotica della pirite dal carbone è attualmente il metodo preferito dall’industria, tuttavia si stanno cercando, con crescente impegno, metodi di origine biotica. E chi meglio di un Archaea estremofilo a tale scopo?

Metallosphaera sedula, essendo termofilo, è infatti tollerante alle temperature più elevate, il che si traduce in tassi di estrazione più rapidi rispetto ad altri organismi (Thiobacillus ferroxidans), rendendolo un candidato ideale per un uso futuro nella de-piritizzazione del carbone.

Filogenesi

DOMINIOArchaea
PHYLUMCrenarchaeota
CLASSEThermoprotei
ORDINESulfolobales
FAMIGLIASulfolobaceae
GENEREMetallosphaera
SPECIEM. sedula

Genoma e Metabolismo

Curiosamente, il genoma di questo archea contiene un singolo cromosoma circolare composto da 2.2 milioni di basi, che codifica per circa 2000 proteine, alcune delle quali necessarie per la tolleranza ai metalli.

Morfologicamente parlando, M. sedula ha la forma di un cocco con delle dimensioni intorno ad 1μm di diametro. È un organismo (estremofilo) aerobico obbligato che cresce ad un optimum di temperatura intorno ai 75 gradi Celsius e a pH 2.0. È in grado di fare crescita eterotrofica servendosi di molecole organiche complesse (ad eccezione degli zuccheri), mediate dalla fissazione dell’anidride carbonica in presenza di idrogeno molecolare attraverso un ciclo metabolico del 3-idrossipropionato.

I suoi tassi di crescita moltiplicano quando viene coltivato su solfuri metallici, in particolare ferrosi; si è infatti scoperto che l’ossidazione dissimilatoria del ferro è guidata dalle sue ossidasi di membrana ed è la chiave per mobilitare i metalli nel substrato. Non tutti i minerali sono però ottimali per la crescita di M. sedula: ad esempio, la calcopirite (CuFeS2) riduce la crescita della colonia. Quindi, possiamo dire che la presenza di una “impurità” all’interno della più classica pirite risulta come un deficit nella crescita e nello sviluppo di questo particolare microorganismo.

Immagini al microscopio

M. sedula al microscopio appare a forma di cocco (Fig. 1) con un diametro non superiore ad 1 micron, ed è ricoperto di strutture piliformi che protrudono dalla superficie cellulare.

M. sedula microscopy
Figura 1 – M. sedula visualizzato tramite un microscopio a scansione elettronica. Nella prima parte dell’immagine il cubo “roccioso” è il meteorite NWA 1172 usato come fonte minerale.

Dall’immagine di microscopia si può notare come il nostro microorganismo presenti una matrice extracellulare dispersa su tutta la superficie cellulare che appare come una serie di piccoli peletti. Di norma M. sedula si può ritrovare in grossi aggregati ma è possibile trovarlo anche a “vita libera” e non in colonia. La tendenza a formare aggregati è stata forse imputata nella formazione di uno strato di biofilm che dovrebbe proteggere la colonia da condizioni di freddo o caldo estremo, gli studi sono tuttavia ancora in corso.

Ecologia

Dove troviamo la nostra Archaea – star? Metallosphaera sedula può essere ritrovato, come abbiamo avuto modo di capire, in terreni ricchi di solfuri, campi vulcanici e nelle “acid mine drainage communities – AMD”. Queste comunità sono consorzi di microorganismi, caratterizzate da concentrazioni di metalli estremamente elevate, bassi pH ed alte temperature (Fig. 2).

Pirite Slovakia Metallosphaera sedula
Figura 2 – Miniera di pirite abbandonata vicino a Pernek in Slovakia

Sebbene la dissoluzione della pirite nelle AMD sia un processo naturale, questa viene accelerata in presenza di acidofili come il nostro Metallosphaera sedula, portando così ad un aumento dei tassi di acidificazione dell’acqua drenante nelle miniere attive ed abbandonate. Questa potrebbe essere, ad esempio, una spiegazione al fatto che i laghi che si trovano in prossimità di vecchie miniere posseggano spesso pH molto bassi.

Una curiosità sulle comunità ADM è che sono caratterizzate da una diversa composizione di microorganismi che riempiono le nicchie ecologiche disponibili a seconda della loro tolleranza alla temperatura, resistenza ai metalli ed al pH. Queste complesse comunità mostrano una simbiosi attraverso il ciclo biogeochimico dello zolfo, del ferro, del carbonio e dell’azoto. Diciamo che spesso si suddividono proprio fisicamente in diverse zone a differenti gradienti di nutrienti siano questi nella colonna d’acqua o nel suolo.

Metodi di coltivazione

Microorganismi appartenenti alla specie analizzata possono essere isolati in laboratorio, a partire dalla conoscenza dei parametri di crescita riscontrati nei loro habitat naturali. La coltura isolata di M. sedula possiede un optimum di temperatura intorno ai 75 gradi Celsius, ma è in grado di sopravvivere in modo ottimale tra i 50 e gli 80 gradi. A temperature inferiori il tasso di crescita diminuisce in modo esponenziale. L’optimum di pH si trova invece in ambiente acido a pH < 3. Il mezzo di crescita è il BMS contenente lo 0.2% (m/v) di triptone acidificato usando acido solforico (pH circa 1.5). La capsula di Petri per la crescita deve essere in vetro e sottoposta ad aerazione. Nel terreno devono essere presenti anche i seguenti minerali alle percentuali indicate: Cu 27.66%, As 9.59%, Fe 14.01%, 39.75% S e 0.82% Zn.

Curiosità

Secondo alcuni studi, M. sedula potrebbe, in modo stupefacente, anche crescere su meteoriti ferrosi. Alcuni test di laboratorio sono volti oggi a dimostrare questa ipotesi. Ad oggi non ci sono tuttavia prove dell’esistenza di questi Archaea nello spazio; ciononostante, prove di questo tipo dimostrano che organismi estremofili ed altamente tolleranti potrebbero potenzialmente viaggiare nel cosmo ampliando le nostre conoscenze astrobiologiche e supportando magari un domani la sopravvivenza ed il benessere umano nella colonizzazione dello spazio. Tutto quanto detto va necessariamente preso con le dovute precauzioni, infatti l’organismo che abbiamo analizzato fino a questo momento è un aerobio obbligato. Necessita quindi di ossigeno, che sulle meteore, per usare un eufemismo, “scarseggia”.

Rimane incredibile comunque pensare come la vita si sviluppi pressoché ovunque sul nostro pianeta e, perché no, magari anche sugli altri.

Bibliografia

Immagini

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