Il cambiamento climatico e il segreto della vita nascosta negli ambienti estremi

Introduzione

Il cambiamento climatico Γ¨ un fenomeno causato dalla combustione di combustibili fossili come petrolio, carbone e gas naturale, con conseguente emissione di gas serra nell’atmosfera. L’esposizione a temperature estremamente alte o basse provoca stress che a volte sono letali per le cellule viventi. Tuttavia, i microrganismi in natura sono molto diversi tra loro. Alcuni di loro possono vivere felicemente in ambienti considerati “estremi” a causa di condizioni ambientali che non permetterebbero la sopravvivenza di molte altre specie, anche evolutivamente superiori.

Un chiaro esempio di questo fenomeno Γ¨ la scoperta fatta da alcuni ricercatori della Fondazione Edmund Mach (F.E.M.), con l’UniversitΓ  della Tuscia, il Joint Genome Institute e l’UniversitΓ  della California, che hanno identificato in Antartide (Fig. 1) 269 nuove specie di batteri appartenenti alla classe degli Actinobatteri (detti anche Actinomiceti), Cloroflexi e Proteobatteri.

Figura 1 - Territorio dell'Antartide - [Credit: Focus.it]
Figura 1 – Territorio dell’Antartide – [Credit: Focus.it]

Come fanno i microrganismi a sopravvivere per migliaia di anni in ambienti estremi come il terreno ghiacciato?

Secondo Beat Frey, ricercatore dell’Istituto Federale di Ricerca “WSL”, alcuni microrganismi che vivono nel permafrost hanno un metabolismo che puΓ² essere molto attivo anche a basse temperature, e strutture cellulari molto particolari, difficili da trovare in altri esseri viventi. In particolare, per utilizzare le scarse fonti di nutrimento del suolo ghiacciato, questi organismi producono proteasi, lipasi, Ξ±-amilasi e sfruttano una sovraregolazione dei loro operoni biodegradativi naturali.

Un esperimento relativo alla sovraregolazione Γ¨ stato eseguito con un test diretto dell’attivitΓ  dell’urocanasi e dell’istidasi in cellule wild-type di vari ceppi psicotropi antartici, compresi P. syringae, P. fluorescens e P. putida. Il test ha mostrato un’alta espressione dell’operone hut a basse temperature. Inoltre, altri studi sui mutanti hanno mostrato distinte differenze genetiche associate all’inserzione del gene per l’urocanasi (hutU) dell’operone di utilizzazione dell’istidina (hut).

Come osservato, alcune specie possono attivare il loro metabolismo anche in condizioni particolari mentre altre rimangono dormienti per lunghi periodi. La ripresa dell’attivitΓ  metabolica avviene in particolari condizioni determinate, per esempio, dal riscaldamento globale. Le ultime scoperte associate alla dormienza risalgono al 2005, quando alcuni scienziati della NASA sono riusciti a isolare, in Alaska, alcuni batteri risalenti a 32.000 anni fa mentre nella tundra siberiana sono stati isolati alcuni “virus giganti” sopravvissuti per 30.000 anni. Per capire le dimensioni di questi virus preistorici Γ¨ possibile considerare il Mollivirus sibericum (Fig. 2) che ha circa 500 geni contro, ad esempio, gli 8 geni posseduti dal virus A dell’influenza.

Figura 2 - Virus gigante: Mollivirus sibericum - [Credit: repubblica.it]
Figura 2 – Virus gigante: Mollivirus sibericum – [Credit: repubblica.it]

Cambiamenti climatici e specie dormienti

Lo scioglimento dei ghiacci avviene a una velocitΓ  che l’uomo difficilmente puΓ² controllare. La preoccupazione maggiore Γ¨ il possibile innalzamento degli oceani e i conseguenti cambiamenti climatici in tutto il globo, ma non meno importante Γ¨ la possibilitΓ  di risvegliare agenti patogeni intrappolati nel ghiaccio. Di conseguenza, si pensa che malattie nuove o giΓ  debellate potrebbero essere “dormienti” e sepolte sotto spessi strati di ghiaccio.

Per questo motivo, alcuni studi si sono concentrati sul ghiaccio artico (Fig. 3). I ricercatori hanno identificato otto geni che conferiscono la capacitΓ  di sopravvivere e resistere agli antibiotici aminoglicosidi, Ξ²-lattamici e tetracicline prodotti naturalmente dai microrganismi. Tra questi geni di resistenza, quattro hanno anche conferito resistenza a un moderno antibiotico semi-sintetico chiamato amikacina che non Γ¨ naturalmente posseduto da organismi attualmente conosciuti.

Figura 3 - Mappa dell'oceano artico - [Credit: ercantastorie.com]
Figura 3 – Mappa dell’oceano artico – [Credit: ercantastorie.com]

La riattivazione di microrganismi dormienti puΓ² essere pericolosa per l’uomo?

Il problema del riscaldamento globale potrebbe portare alla riattivazione di alcune forme di vita che sono attualmente intrappolate nei ghiacci sparsi per il mondo. Purtroppo non esiste una risposta chiara e certa a questa domanda: tutte le teorie sono raccolte in una grande incognita. I principali dubbi ruotano intorno alla possibile esistenza di molti virus ancora sconosciuti, forse patogeni, conservati nei vecchi strati di permafrost. Tuttavia, i microrganismi non devono essere solo e necessariamente dannosi. Pertanto, Γ¨ possibile confidare nella scoperta di forme di vita non patogene utili in campo medico e nello sviluppo biotecnologico.

Il potenziale nascosto nel ghiaccio

I batteri psicrotolleranti possono adattarsi a vivere a basse temperature con diverse strategie e sono stati isolati, a 7 Β°C, dal suolo artico. Questi sono stati differenziati l’uno dall’altro attraverso l’analisi dei substrati che erano in grado di ossidare. Inoltre, le analisi della sequenza dell’RNA 16s hanno rivelato che la maggior parte apparteneva al genere Pseudomonas. Le osservazioni ottenute dagli studi di Master et al. hanno suggerito la presenza di caratteristiche particolari che permettono a questi spettacolari microrganismi di sopravvivere: una diversa composizione della membrana cellulare, la regolazione di alcuni geni e la modifica degli enzimi per agire con grande efficienza alle basse temperature.

Gli enzimi adattati al freddo sono definiti dalla loro relativa termolabilitΓ , maggiore flessibilitΓ  e maggiore attivitΓ  a basse temperature rispetto alle loro controparti mesofile e termofile. I sistemi enzimatici rilevati nelle specie isolate erano essenzialmente utili per la degradazione dei bifenili policlorurati (PCB, Fig. 4).

Figura 4 - Struttura chimica dei policlorobifenili (PCB) - [Credit: biomonitoring.ca.gov]

Figura 4 – Struttura chimica dei policlorobifenili (PCB) – [Credit: biomonitoring.ca.gov]

Quindi, in base a questa indagine, Γ¨ possibile pensare al possibile utilizzo dei batteri ancora nascosti all’interno dei ghiacci per bonificare alcuni ambienti attraverso nuove strategie di bioremediation quindi l’utilizzo di microrganismi per ridurre la concentrazione ambientale di composti come il PCB.

Conclusioni

Non esiste un modo affidabile per calcolare la probabilitΓ  di altre forme di vita in ambienti dove Γ¨ giΓ  difficile ipotizzare la sopravvivenza di qualsiasi essere vivente. Tuttavia, la ricerca in questa direzione ha innumerevoli implicazioni evolutive e biologiche. Per esempio, rilevare specie microscopiche insolitamente adattate al freddo rappresenta un passo importante per riconsiderare/rivalutare i meccanismi che regolano il ciclo del carbonio e dei nutrienti nell’ecosistema globale, capire l’evoluzione delle proteine, sviluppare nuove biotecnologie e progettare nuovi protocolli in riferimento ai metodi di bioremediation.

Gennaro Velotto

Fonti

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