Chemiolitoautotrofi: finalmente identificati i batteri che si nutrono di manganese

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Finora ne era solo stata ipotizzata l’esistenza. Lo studio del Prof. Leadbetter, docente di microbiologia ambientale alla Caltech, pubblicato su Nature pochi giorni fa invece lo ha confermato. In natura esistono batteri chemiolitoautotrofi in grado di ossidare il manganese per produrre energia e crescere.

Questa scoperta rappresenta un punto di svolta nella comprensione globale dei metabolismi inorganici e del ciclo geochimico del manganese che si intreccia con quello degli altri elementi (ossigeno, carbonio, idrogeno, azoto).

Il manganese: metallo di transizione

Il manganese (Figura 1) è uno degli elementi più abbondanti sulla superficie terrestre. Si trova principalmente nelle rocce, nelle acque comuni e ad uso domestico. Grandi quantità, però, si trovano anche sui fondali degli oceani dove forma degli agglomerati di colore scuro detti “noduli”. E’ un metallo di transizione con numero atomico 25 e i suoi stati di ossidazione più comuni sono +2, +3, +4, +6, +7. E’ inoltre un potente agente ossidante, quando si trova in composti con stato di ossidazione +7; viceversa può essere facilmente ossidato quando in stato +2.

frammento di manganese
Figura 1 – Frammento di manganese, dal tipico colore argenteo-metallico

Date queste proprietà, per molto tempo è stato ipotizzato, senza reale riscontro, che l’ossidazione del manganese potesse essere sfruttata da alcuni microrganismi per la produzione di energia, come avviene per altri elementi inorganici (azoto, zolfo, ecc). Questa ipotesi rientra nel concetto della chemiolitoautotrofia.

I metabolismi inorganici: la chemiolitoautotrofia

La chemiolitoautotrofia è un metabolismo, prettamente microbico, che prevede l’utilizzo di specie inorganiche per la produzione di energia. In particolare, i batteri di questa tipologia metabolica utilizzano l’energia potenziale dei legami chimici, trasformando chimicamente un substrato inorganico esogeno (trovato nell’ambiente) e utilizzandolo come fonte di elettroni (Figura 2).

Differenze tra chemiotrofi e fototrofi
Figura 2 – Differenze metaboliche tra chemiotrofi e fototrofi

Tra queste specie particolari troviamo ad esempio i batteri che ossidano lo zolfo, l’idrogeno, i metanogeni, i nitrificanti e quelli che ossidano il ferro. I chemiolitotrofi svolgono una funzione ecologica fondamentale: ad esempio, convertono l’ammoniaca in nitrato e lo zolfo in solfato, rendendoli biodisponibili per gli altri organismi (piante e animali).

I batteri in grado da utilizzare la CO2 come accettore terminale di elettroni, e quindi come fonte di carbonio, sono classificati anche come autotrofi poiché sono in grado di prodursi da sé gli zuccheri per la crescita.

La scoperta casuale dei ricercatori della Caltech

Finora, che esistessero microrganismi chemiolitoautotrofi anche per il manganese, era solo un’ipotesi. Ma una casualità (come sempre, nella ricerca!) ha permesso al gruppo di ricerca guidato dal Prof. Leadbetter del California Institute of Technology (o Caltech, Pasadena, CA) di identificare i primi batteri in grado di ossidare manganese per produrre energia.

Prima di lasciare il laboratorio dell’istituto, in vista di un periodo di trasferta, alcuni ricercatori del suo team (come da lui stesso dichiarato in un’intervista alla CNN) hanno casualmente lasciato in laboratorio un becker di vetro contenente del Mn(II)CO3 disciolto in acqua domestica. Il becker è rimasto lì per diversi mesi. Al loro ritorno, al posto della classica soluzione di colore rosa pallido/marrone (tipica del sale di manganese), hanno notato la formazione di agglomerati di materiale scuro. Ovvero, il risultato dell’ossidazione del manganese da parte di batteri naturalmente presenti nelle acque domestiche (Figura 3).

agglomerati ossido di manganese
Figura 3 – Agglomerati di ossido di manganese prodotti mediante l’attività dei batteri

Da questa osservazione casuale, è nata l’idea di una serie di esperimenti per confermare che effettivamente l’ossidazione fosse dovuta alla presenza di batteri. In particolare, prove di ossidazione del sale (Figura 4), in terreno controllato (privo di altre sostanze ossidanti), con e senza l’inoculo di acqua domestica hanno permesso di confermare i risultati. E hanno permesso ai ricercatori di affermare, quindi, che esistono in natura batteri capaci di crescere ossidando il manganese.

esperimenti ossidazione manganese
Figura 4 – Prove di ossidazione del manganese (a-b). Agglomerati di ossido di manganese osservati al microscopio (c),
al micrografo (d) e con epifluorescenza (e). (Yu and Leadbetter, 2020)

Le nuove specie identificate

Per identificare i batteri responsabili di questo metabolismo, i ricercatori hanno utilizzato le comuni tecniche di identificazione genetica e molecolare. Da queste ricerche è emerso che esistono almeno due specie diverse, le quali si avvicinano ai cluster genici dei generi Nitrospira, Leptospirillum e Ramlibacter, tutti comunemente ritrovati nelle acque (Figura 5).

albero filogenetico delle nuove specie identificate
Figura 5 – Albero filogenetico delle nuove specie identificate (Yu and Leadbetter, 2020)

Queste specie erano già note per essere in grado di utilizzare altri elementi inorganici, come lo zolfo, ma non per essere litotrofi opportunisti. Il prossimo obiettivo, perciò, è quello di identificare e classificare correttamente le nuove specie identificate, per poterle studiare in maniera più approfondita. Al momento una delle due è stata denominata come Candidatus manganitrophus noduliformans per la sua capacità di formare “noduli” (agglomerati) di ossido di manganese.

Un nuovo orizzonte

La scoperta di queste nuove specie rappresenta un punto di svolta, oltre che una conferma di ipotesi già datate. Di certo, è una conferma dell’ampia versatilità dei microrganismi e della loro adattabilità a varie condizioni ambientali. Trasversalmente, i microrganismi batterici hanno un set di strategie metaboliche che permette loro di adattarsi e sopravvivere nelle condizioni più disparate. In questo caso, il manganese è un elemento molto comune nel suolo e nelle acque, ma la capacità di ossidare un metallo non è mai banale. Soprattutto perché gli elettroni “liberati” dall’ossidazione del Mn vengono utilizzati dal batterio per fissare la CO2 e sintetizzare quindi composti organici, di cui il batterio stesso si nutre per crescere.

Inoltre, la conferma dell’esistenza di questo metabolismo è utile anche per comprendere più a fondo le interconnessioni tra i cicli geochimici dei vari elementi. Agglomerati di ossido di manganese (Figura 6) infatti sono abbondantemente presenti, ad esempio, sui fondali marini e molti studiosi si sono a lungo chiesti quale fosse il loro ruolo nell’evoluzione geochimica della Terra. “Tutto sommato si tratta di un astruso metallo di transizione che abbiamo in abbondanza”, ha affermato Leadbetter. Chissà, invece, se questo metallo non abbia giocato un ruolo fondamentale nell’evoluzione della superficie terrestre e dei cicli degli elementi.

Nodulo di ossido di manganese
Figura 6 – Nodulo di ossido di manganese osservato al microscopio a scansione

Una cosa è certa, i microrganismi continuano e continueranno a stupirci con le loro mille abilità, metaboliche e non.

Fonti

  • Yu, H., Leadbetter, J.R. Bacterial chemolithoautotrophy via manganese oxidation. Nature 583, 453–458 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2468-5

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