Presente e futuro della ricerca sul microbioma oceanico

Le comunità microbiche oceaniche sono vitali sia per l’ambiente che per la salute umana. Il termine microbioma oceanico comprende la totalità dei geni associati a comunità microbiche presenti nella biosfera oceanica.

Gli oceani sono caratterizzati da un’immensa biosfera che occupa oltre il 70% della superficie globale ma con una profondità media di circa 3,5 chilometri e oltre, le loro proprietà biologiche rimangono in gran parte sconosciute.

Composizione micro e macroscopica della biosfera oceanica

Sorprendentemente, gli organismi microscopici rappresentano più dei due terzi della biomassa nell’oceano, eseguendo quasi la stessa fotosintesi delle piante sulla terraferma, bloccando così grandi quantità di carbonio lontano dall’atmosfera e rafforzando la rete alimentare oceanica.

I processi guidati dall’uomo come l’aumento delle emissioni di gas serra e il relativo riscaldamento, rinfrescamento, deossigenazione e acidificazione degli oceani rappresentano un’enorme minaccia non solo per la flora e la fauna, ma anche per le comunità microbiche. I cambiamenti planetari stanno causando un’alterazione della produttività microbica, cambiamenti nelle reti alimentari e cambiamenti nei tassi di trasferimento del carbonio nelle profondità oceaniche. Il microbioma oceanico comprende batteri e archaea, più una miriade di eucarioti unicellulari. Oltre ai funghi, questi sono in genere indicati come protisti o micro-eucarioti e includono il fitoplancton (noto anche come microalghe). Possono agire come predatori, parassiti, agenti patogeni e/o simbionti.

Il ruolo cruciale dei virus

Recenti studi genomici hanno rivelato le diverse traiettorie evolutive di diversi gruppi filogenetici ed evidenziato complesse inter-relazioni tra di loro che non sono ancora del tutto risolte. Consideriamo anche i virus come parte del microbioma oceanico. Oltre a controllare il numero della popolazione dei loro ospiti e trasferire i geni orizzontalmente tra i diversi taxa, i virus facilitano anche i processi oceanici essenziali come l’esportazione di carbonio nelle profondità oceaniche, il ciclo dei nutrienti e la produttività primaria.

Si stima che il microbioma oceanico sia costituito da circa quattro gigatonnellate di carbonio (l’unità utilizzata per calcolare la biomassa), che è quattro volte la biomassa globale di tutti gli insetti sulla Terra. I protisti oceanici contribuiscono maggiormente alla biomassa, mentre i virus rappresentano solo una piccola parte del totale. Tuttavia, i virus marini sono i più diversificati, con recenti analisi che attraverso dati metagenomici raccolti durante la spedizione Tara Oceans (2009–2013) identificano ben 200.000 diversi tipi di virus rispetto a 35.000 diversi taxa di batteri e archea e 150.000 taxa di micro- eucarioti.

Composizione in biomassa di Carbonio delle maggiori componenti della biosfera marina. Il microbioma oceanico è costituito da circa quattro gigatonnellate di Carbonio. — Figura 1 – L’attuale conoscenza della biosfera oceanica indica che il suo microbioma rappresenta almeno due terzi della sua biomassa collettiva, superando enormemente gli animali e le piante macroscopiche. Notare che “Piante” include alghe e fanerogame marine, oltre alle alghe verdi. *[Fonte: Priorities for ocean microbiome research – Tara Ocean Foundation]*

Funzioni e prospettive di ricerca del microbioma oceanico

I recenti progressi, come gli approcci genomici di collocamento di geni nel loro contesto cromosomico, presentano ulteriori opportunità per sviluppare una visione d’insieme dell’elenco delle parti alla base delle attività microbiche. Tuttavia, gli sforzi devono essere centralizzati e armonizzati per essere pienamente sfruttabili da un’ampia gamma di utenti finali. Perciò si è reso necessario un programma ambizioso, sulla scala del Progetto Genoma Umano, per costruire un inventario completo di geni, genomi, proteine, strutture e macchinari molecolari associati al microbioma oceanico che incorpori anche la diversità morfologica di cellule, le simbiosi e le strutture comunitarie. Per raggiungere questo obiettivo, la comunità di ricerca dovrà assicurarsi finanziamenti, coordinando e realizzando questo programma.

Una sfida chiave

Un inventario del microbioma oceanico deve essere accessibile online a tutti e deve includere più opzioni di ricerca per consentire di rispondere a un’ampia gamma di domande. Una sfida chiave è come caratterizzare i geni di funzione sconosciuta, specialmente quando sono presenti solo in lignaggi microbici non coltivabili.

Una possibilità interessante sarà quella di estendere gli approcci genomici per affrontare le dinamiche strutturali, ad esempio, per esplorare come i singoli genomi rispondono a simbiosi intime tra specie evolutivamente divergenti che vivono in strettissima vicinanza. Ciò richiederà l’adozione di sequenziamento del DNA a lunga lettura e tecnologie per esplorare la struttura del genoma, nonché l’uso di piattaforme di fenotipizzazione ad alto rendimento per rilevare attività microbiche in singole cellule e in rappresentanti trattabili di microbi e simbiosi chiave. Il tracciamento dei flussi cellulari di energia e materia è altrettanto cruciale. Un inventario del microbioma oceanico deve essere accompagnato da un atlante, progettato per esplorare le funzioni microbiche nello spazio e nel tempo. Per raggiungere questo obiettivo, sono necessari sistemi avanzati di osservazione degli oceani e un’intensa raccolta di dati.

Funzioni dei vari organismi appartenenti alla biosfera marina, costantemente minacciate dalle azioni inquinanti dell'uomo. Il ruolo del microbioma oceanico risulta fondamentale. — Figura 2 – Il microbioma oceanico (al centro) è composto da una gamma di procarioti, microrganismi eucariotici e virus, che hanno una molteplicità di stili di vita diversi che guidano le interazioni microbiche. I servizi ecosistemici essenziali che forniscono, come il ciclo biogeochimico (ad esempio cattura di CO₂, generazione di O₂ e rimozione del carbonio), mitigazione delle attività umane, biorisorse, biodiversità e risorse per l’intera catena alimentare oceanica, sono mostrati in verde. Gli impatti umani sull’oceano sono indicati in arancione. Altri aspetti dell’ambiente oceanico sono indicati in blu e le interconnessioni tra i diversi componenti sono mostrate con frecce. [Fonte: Priorities for ocean microbiome research – Tara Ocean Foundation]

Conclusione

Con la crescita della nostra capacità di esplorare il microbioma oceanico, cresce anche la nostra conoscenza di come le comunità microbiche marine influiscono sull’ambiente e sulla salute umana.

Una grande occasione

Il decennio delle Nazioni Unite per la scienza oceanica per lo sviluppo sostenibile (2021-2030) è un’importante opportunità per sviluppare ulteriormente la comprensione dei microbi oceanici e aumentare la consapevolezza generale della loro importanza. Gli sforzi per caratterizzare, comprendere e proteggere il microbioma oceanico dovrebbero integrare gli sforzi globali per proteggere l’oceano, i suoi abitanti e i suoi ecosistemi vitali.

Sono attualmente in corso diverse iniziative che pongono il microbioma al centro dell’esplorazione oceanica. Lo studio del microbioma oceanico è una grande sfida per l’umanità. È uno sforzo vitale perché le conoscenze acquisite possono informare le politiche internazionali relative alla governance degli oceani, alla lotta ai cambiamenti climatici, all’acidificazione degli oceani e all’inquinamento. È essenziale per affrontare l’obiettivo di sviluppo sostenibile 14 “vita sott’acqua” e i molteplici ruoli del microbioma oceanico lo rendono anche altamente rilevante per molti altri obiettivi di sviluppo sostenibile.