Methylacidiphilum fumariolicum, astrobiologia ed ambienti estremi

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Astrobiologia

L’astrobiologia, conosciuta anche come esobiologia, è una disciplina interdisciplinare che ha come scopo lo studio dell’origine, l’evoluzione, la distribuzione ed il futuro della vita nell’universo. Una delle sue domande fondamentali si pone il fine ultimo di definire se la vita nello spazio esiste, se così fosse, come funziona ed infine, come si fa a rilevarla. Per raggiungere i suoi scopi, l’astrobiologia si serve delle tecniche più avanzate nei campi della geologia, della chimica, della fisica, dell’astronomia ed anche della filosofia, questo poiché la domanda principe che si trova come pilastro fondamentale delle scienze di derivazione biologica consiste nel chiedersi: “Cos’è la vita?”.

Uno degli approcci più utilizzati per la ricerca della vita nell’universo viene definito “As we know it”, ossia “per come la conosciamo”. Questo cosa significa? La vita nell’universo e nello specifico sui vari corpi celesti che compongono il nostro sistema solare ed i sistemi a noi più lontani potrebbe comportarsi come da noi, sulla Terra. È però importante sottolineare il termine “potrebbe”, poiché non si può dire con assoluta certezza che la vita si possa sviluppare altrove nello stesso identico modo di come è accaduto sul terzo pianeta del sistema solare, nonché il nostro.

Come mai parliamo di un approccio di questo tipo? A causa dello sciovinismo del carbonio teorizzato da Carl Sagan. Questa tesi prevede che, di tutti gli elementi della tavola periodica di Mendeleev, solo il carbonio può formare uno scheletro molecolare di ogni biochimica concepibile nell’universo. Secondo Sagan, gli esseri umani, in quanto organismi viventi basati fondamentalmente sul carbonio, non hanno (per il momento) incontrato altre forme di vita fuori dal pianeta Terra, poiché risulta difficile, se non impossibile, considerare altri tipi di biochimiche.

Ambienti estremi

Concentriamoci sul sistema solare. È noto che in questo microambiente confinato (se considerato rispetto a tutto l’universo) esistano condizioni che possiamo definire estreme. Pianeti come, ad esempio, Mercurio che si possono vedere come delle lande infuocate, pianeti gassosi, satelliti ghiacciati con mari composti da metano ed altri composti che renderebbero difficile, se non impossibile, la sopravvivenza umana. Noto questo e noto che sulla Terra esistono dei luoghi che possiamo considerare analoghi a quelli sopraelencati, come, ad esempio, i deserti, i poli innevati, le fumarole vulcaniche, i geyser, etc. Anche sulla Terra si possono per cui trovare spot ambientali estremi nei quali la vita viene messa a dura prova. Questi sono i laboratori naturali in cui ricercare quella vita che “probabilmente” si è evoluta e sviluppata nello spazio.

ambienti estremi
Figura 1 – Rappresentazione idealizzata di una sezione terrestre che mostra alcuni ambienti estremi

Chi abita gli ambienti estremi? Tendenzialmente la sopravvivenza in questi luoghi è garantita solo a piccoli microorganismi, i quali grazie alle loro dimensioni si possono adattare efficacemente a permanere a basse ed alte temperature, condizioni di salinità estreme, pH molto variabile, concentrazioni elevate di metalli tossici, radiazioni, etc.  Per dare qualche dato:

BiomaTemperatura (Celsius)pHPressione (MPa)Salinità (%NaCl)
Drenaggio delle miniere1-47-3.6-13.36-140.008-7.6
Deserti-19.4-706.8-10nr0.02-30.8
Ambienti polari-98.6-24.34.6-9.60.1-35.50-40.2
Tabella 1 – Alcuni valori di riferimento di ambienti estremi

Come si può notare dalla tabella (Tabella 1) i range di valori sono veramente estremi se paragonati ad una esistenza di tipo antropocentrica. Temperature che partono da sotto lo zero, pH negativi, salinità elevate.

Il pH negativo

Ebbene sì, pH negativi. Il pH può essere negativo.

Come è possibile avere un pH negativo? A scuola ci insegnano che il pH varia in una scala tra 0 e 14, tuttavia matematicamente parlando non è impossibile che il pH possa raggiungere valori negativi essendo pH=-Log[H+] oppure pH=ln [H+] * 0.434.

In linea di massima è quindi possibile calcolare valori negativi del pH, ma, tuttavia, è molto difficile determinare questi tipi di valori sperimentalmente. In pratica, ogni acido che possiede una concentrazione di ioni idronio con una molarità maggiore di 1 potrebbe avere valori negativi di pH. Per esempio, il pH di una soluzione 12M di HCl è -1.08.

Methylacidiphilum fumariolicum

Tornando a noi, la vita sulla Terra si può quindi sviluppare in ambienti molto diversi ed in condizioni molto differenti. Gli organismi estremofili si sono quindi adattati nel corso delle ere a sopravvivere in luoghi per l’uomo proibitivi. Per evitare una dissertazione fin troppo lunga e probabilmente noiosa sugli organismi estremi che popolano il nostro mondo, ci concentreremo su un solo batterio in particolare, il quale nel corso della storia è riuscito ad internalizzare al suo interno degli elementi che normalmente sulla Terra sono presenti solo in piccole tracce.

Ma prima di rivelare la star; è noto ormai da anni che alcuni microorganismi sono in grado di internalizzare alcuni metalli più o meno comuni all’interno delle loro proteine ed enzimi. Ad esempio, Azotobacter vinelandii (azotofissatore) in funzione dell’ambiente in cui si trova e dell’abbondanza relativa dei metalli nel suolo è in grado di inserire all’interno del proprio cofattore enzimatico (dell’enzima nitrogenasi), il ferro, il molibdeno o addirittura il vanadio. Tuttavia, l’organismo di cui ci vogliamo occupare oggi ha fatto qualcosa di ancora più stupefacente. Methylacidiphilum fumariolicum SoIV è in grado di inserire all’interno di un suo particolare enzima ioni tendenzialmente trivalenti appartenenti ai lantanidi.

Methylacidiphilum fumariolicum è un batterio autotrofo descritto per la prima volta nel 2007 in alcuni depositi vulcanici vicino Napoli, in Italia. Cresce nel fango delle solfatare in un range di temperatura che varia tra i 50 ed i 60 gradi Celsius ed un pH compreso tra 2 e 5. È in grado di ossidare il gas metano e per fissare il disossido di carbonio si serve del nitrato di ammonio o dell’azoto atmosferico come principale fonte di protoni ed elettroni. A causa della dipendenza dal suo enzima metanol deidrogenasi, Methylacidiphilum fumariolicum è in grado di crescere unicamente in siti in cui abbondano i metalli conosciuti come terre rare (REE).

Biochimica strutturale

In generale è stato osservato che il cofattore della sua metanol deidrogenasi contiene lantanio, tuttavia è stato dimostrato che può crescere sostituendo questo metallo anche con altri lantanidi, come ad esempio: cerio, praseodimio, neodimio, samario, europio e gadolinio.

Nello specifico nel 2014 è stato ottenuto il cristallo di una proteina metanol deidrogenasi (MDH) RRE-dipendente definita XoxF-type. Questa proteina isolata da una coltura di Methylacidiphilum fumariolicum SoIV in presenza di terreno di crescita con acqua e fango proveniente dalla solfatara vicino Napoli, ha mostrato al suo interno la presenza di REE. Il cerio si è dimostrato essere l’elemento più abbondante in questo esperimento.

L’osservazione curiosa è che la struttura del sito attivo (Fig. 2) di questa MDH REE dipendente è molto conservato rispetto all’analoga Ca-MDHs, ossia metanol deidrogenasi dipendente dallo ione bivalente calcio. L’unica eccezione evidente è stata la presenza di un amminoacido extra (Asp301), il quale presumibilmente ha la funzione di soddisfare gli elevati numeri di coordinazione delle terre rare.

sito attivo della metanol deidrogenasi di Methylacidiphilum fumariolicum SolV
Figura 2 – Rappresentazione schematica del sito attivo delle Ca-MDH e delle REE-MDH

Come mai scoperte di questo tipo sono così insolite e curiose?

Prima di tutto i parametri di crescita di questo batterio già lo inseriscono tra gli organismi estremi, ed in secondo luogo la presenza di metalli delle terre rare all’interno del sito attivo della sua MDH è un aspetto molto curioso. I metalli delle terre rare sono infatti di norma presenti in piccolissime tracce nelle rocce superficiali terrestri, quindi il fatto che si ritrovino all’interno di sistemi biologici potrebbe essere un interessante aspetto evolutivo, facendo così sorgere la domanda: Come e perché alcuni organismi come Methylacidiphilum fumariolicum si sono evoluti ed adattati per vivere in nicchie ecologiche così “limitanti”?

Caratteristiche delle terre rare

È infatti importante sottolineare alcuni aspetti delle terre rare: come i metalli alcalini ed i metalli alcalino terrosi, le terre rare sono, da un punto di vista chimico, molto elettropositive. Come risultato formano quindi spesso legami predominanti di tipo ionico in natura e di tipo covalente nei sitemi biologici. È interessante anche notare che sono relativamente insolubili in acqua come conseguenza della loro carica elevata e del loro elevato potenziale ionico.

L’unica eccezione vale per gli ossidi dell’uranio nella sua forma completamente ossidata +6 la quale è in grado di formare ioni solubili nel mezzo acquoso. Nel mondo biologico è curioso notare come abbiamo avuto modo di dire, che l’enzima preso in analisi in questo articolo è un analogo di quello contente calcio bivalente. E ancora più curioso è il fatto che questo succede anche nel mondo abiotico, spesso metalli delle terre rare, come, ad esempio, l’europio ed il cerio, sono in grado di sostituirsi al calcio e all’alluminio nei feldspati plagioclasi.

In conclusione

La biochimica e la geochimica spesso in questi organismi ai limiti della vita si fondono portando alla luce aspetti comuni tra il mondo biotico ed il mondo abiotico. In ultima analisi, è dalla chimica inorganica che la chimica organica ha avuto modo di nascere.

Da un punto di vista puramente astrobiologico: “Se la vita sulla Terra è riuscita in imprese che per l’uomo sono impensabili, chissà come questa si sia potuta evolvere nel cosmo”. “Cosa incontreremo? Come saranno fatti gli organismi viventi in altri oggetti del sistema solare? Che nicchie occuperanno?”. E altre domande sorgono spontanee scoprendo come, fondamentalmente, ogni luogo della Terra, dal polo Nord al polo Sud sia stato colonizzato da qualche forma di vita.   

Fonti

  • “About Astrobiology”. NASA Astrobiology Institute and astrobio.it;
  • Ward, P. D.; Brownlee, D. (2004). The life and death of planet Earth. New York: Owl Books;
  • Joseph Seckbach, Life as We Know It (Cellular Origin, Life in Extreme Habitats and Astrobiology, 10. (2006);
  • Sagan, Carl (1973). The Cosmic Connection. Anchor Books (Anchor Press / Doubleday). p. 47;
  • Darling, David. “Carbon-based life”. Encyclopedia of Life;
  • Pabulo Henrique Rampelotto, Extremophiles and Extreme Environments. Life 2013, 3(3), 482-485;
  • (2019). Living at the Extremes: Extremophiles and the Limits of Life in a Planetary Context. Front. Microbiol. 10:780. 
  • Helmenstine, Anne Marie, Ph.D. “Is Negative pH Possible?” ThoughtCo, Feb. 16, 2021;
  • S. E. McGlynn, E. S. Boyd, J. W. Peters, V. J. Orphan. Classifyng the metal dependance of uncharacterized nitrogenases. Front. Microbiol., 30 January 2013;
  • Pol, A., et al (2014). “Rare Earth Metals Are Essential for Methanotrophic Life in Volcanic Mudpots”. Environ Microbiol. 16 (1): 255–264;
  • Khadem, A. et al (2012). “Genomic and Physiological Analysis of Carbon Storage in the Verrucomicrobial Methanotroph “Ca. Methylacidiphilum Fumariolicum” SolV”. Front Microbiol. 3 (345): 345;
  • Khadem, A. et al (2010). “Nitrogen fixation by the verrucomicrobial methanotroph ‘Methylacidiphilum fumariolicum’ SolV”. Microbiology. 156 (1): 1052–9.
  • A. M. Ochsner, F. Sontag, M. Buchhaupt, J. Schrader, J. A. Varholt. Appl. Miocrobiol. Biotechnol. 2015, 99, 517-534;
  • W. M. White. Geochemistry. Wiley-Blackwell Ed (2017).

Fonti immagini

  • Figura 1 – (N. Merino, H. S. Aronson, D. P. Bojanova, J. Feyhl-Buska, M. L. Wong, S. Zhang, D. Giovannnelli. (2019). Living at the Extremes: Extremophiles and the Limits of Life in a Planetary Context. Front. Microbiol. 10:780).
  • Figura 2 – B. Jahn, A. Pol, H. Lumpe, T. R. M. Barends, A. Dietl, C. Hogendoorn, H. J. M. Op den Camp, L. J. Daumann. Similar but Not the Same: First Kinetic and Structural Analyses of a Methanol Dehydrogenase Containing a Europium Ion in the Active Site. ChemBioChem 2018, 19, 1147-1153;
  • Immagine in evidenza – wikipedia.it. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Vulcano.sassi.jpg

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