Microbiologia estrema: le comunità simpagiche

Il ghiaccio marino si forma nelle regioni polari durante i rispettivi inverni, quando l’acqua superficiale congela formando la banchisa. Alcuni microrganismi psicrofili riescono a sopravvivere all’interno del ghiaccio appena formatosi, andando a costituire la cosiddetta comunità simpagica.

Isola di Petermann, ghiaccio comunità simpagica
Figura 1 – Isola di Petermann, nella Penisola Antartica. Da notare il ghiaccio “sporcato” di verde e marrone, dalla probabile presenza di consorzi microbici e/o alghe [Cascoly]

Vita nel ghiaccio

Le comunità simpagiche sono costituite da vari organismi, ovviamente adattati all’ambiente estremo che si ritrova all’interno della banchisa; tali comunità sono dominate da batteri, virus e funghi, assieme ad alghe unicellulari (molte diatomee), protozoi ed animali (come i tardigradi o uova e fasi larvali della fauna bentonica). Questi organismi sono psicrofili (detti anche criofili), adattati alle basse temperature, ma anche alofili: il congelamento dell’acqua incrementa notevolmente la salinità delle sacche d’acqua che si formano internamente al ghiaccio.

La produzione primaria avviene grazie alle diatomee, in grado di sfruttare la poca luce che penetra all’interno del ghiaccio. Parte della produzione non avviene all’interno del ghiaccio, bensì al di sotto di esso; possiamo osservare infatti del “brown ice“, ovvero ghiaccio a contatto con l’acqua dove è presente una ricca e diversificata comunità algale. Sono inoltre presenti erbivori, la cui necromassa (e scarti) assieme a quella algale sostengono la comunità microbica del ghiaccio; essa viene indicata con il termine SIMCO: Sea Ice Microbial COmmunity.

Blood Falls, organismi psicrofili e chemioautotrofi nel ghiaccio
Figura 2 – Le “Blood Falls” avvengono quando fuoriesce acqua ricca di ossidi di Fe, in cui sopravvive un particolare ecosistema di microganismi chemioautotrofi; in figura, nelle vicinanze della base McMurdo [Peter Rejcek]

Comunità batteriche simpagiche

Le comunità batteriche simpagiche vedono la dominanza di Flavobacteriia e Gammaproteobacteria, seguiti poi dagli Alphaproteobacteria. Si ipotizza che uno dei fattori chiave della dominanza di questi taxa sia stata la loro grande efficienza nell’impego della DOM derivante dalla produzione primaria algale. I primi due dominano la superficie del ghiaccio marino, mentre gli Alphaproteobacteria sono più abbondanti nei campioni di acqua di mare. Analisi del rRNA 16 svolte sulla fine degli anni 90 mostrarono inoltre la presenza di Shewanella, Marinobacter, Planococcus oltre a ceppi di Pseudoalteromonas, Psychrobacter,
Halomonas, Pseudomonas ed altri; da campionamenti in quegli anni, si osservò un abbondanza batterica che andava dai 10’000 ai 100’000 batteri per ml di ghiaccio fuso.

Tra gli organismi meglio caratterizzati che vivono nelle comunità simpagiche del ghiaccio marino abbiamo Colwellia psychrerythraea. Appartenente al gruppo dei Gammaproteobacteria, è infettato dal fago Colwelliaphage 9A alla temperatura di ben -12 °C ed è annoverato sia tra i batteri psicrofili antartici sia tra quelli artici (unico caso noto assieme a Polaribacter irgensii). C. psychrerythraea mostra infatti geni di origine fagica o filogeneticamente distanti, avvallando l’ipotesi che il trasferimento genico orizzontale sia stato cruciale nello sviluppo delle comunità simpagiche.

Colwellia psychrerythraea, batterio psicrofilo tipico delle comunità simpagiche
Figura 3 – Colwellia psychrerythraea [Richard A. Finkelstein]

Enzimi estremi

L’ambiente antartico è un ambiente che mette a dura prova le capacità di adattamento degli organismi: è fondamentale capacità di resistere alle temperature sotto zero. Com’è noto, gli enzimi lavorano in maniera ottimale ad un certo range di temperatura; in tale range, l’enzima possiede la flessibilità conformazionale necessaria a permettere la catalisi della reazione. Se incrementiamo la temperatura, inizialmente l’attività dell’enzima aumenta, per poi crollare man mano che il processo di denaturazione va avanti. All’opposto, il freddo porta con se un’eccessiva rigidità a livello molecolare: l’enzima perde flessibilità e con essa la capacità di modificare la conformazione in maniera tale da permettere l’avanzamento della reazione.

Questa relazione tra temperatura, flessibilità conformazionale e catalisi negli enzimi dei batteri psicrofili è stata studiata nella DNA ligasi di Pseudoalteromonas haloplanktis. Per un confronto, Georlette e colleghi hanno indagato inoltre l’attività dello stesso enzima in un organismo mesofilo (Escherichia coli) e in uno termofilo (Thermus scotoductus).

Dipendenza enzimatica T e Attività
Figura 4 – Dipendenza dell’attività degli enzimi dalla temperatura: i cerchi rappresentano un E.coli, i quadrati T. scotoductus e i triangoli P. haloplanktis [Georlette D. et al., 2004]

A cosa sono dovute le differenze osservate? Andando a osservare la struttura della proteina, si è notato come essa esponga al solvente un numero maggiore di residui idrofobici. Essi impediscono alle molecoled d’acqua di entrare in contatto con la proteina, il che porterebbe alla sua eccessiva stabilizzazione; gli enzimi dei batteri psicrofili hanno pertanto una struttura meno stabile, con un minor numero di legami deboli ed una maggiore flessibilità, in modo da poter funzionare correttamente anche a basse temperature.

Adattamento delle membrane

Un altro adattamento riguarda la membrana: la bassa temperatura tende a renderle estremamente rigide, allo stesso modo delle proteine e degli enzimi; dato che la membrana cellulare funziona, per le conoscenze attuali, secondo un modello a mosaico fluido, la fluidità è parte fondamentale delle membrane. . La risposta adattativa consiste nell’avere un elevata fluidità di membrana, in modo da controbattere tale fenomeno; ciò avviene mediante l’aumento degli acidi grassi polinsaturi, i quali non riescono ad impilarsi rigidamente con i fosfolipidi di membrana. Così facendo permane un certo livello di fluidità nelle membrane di batteri delle comunità simpagiche.

Prospettive di ricerca

L’ambiente antartico è una miniera di molecole ancora poco esplorata; a differenza dell’Artico infatti, l’Antartide è molto più isolata, soprattutto d’inverno. La stragrande maggioranza delle stazioni di ricerca presenti è sulla costa, molte concentrate nella Penisola Antartica; sono poche le basi nell’interno, e non tutte le basi presenti sono attive tutto l’anno, bensì una certa percentuale viene chiusa durante il rigido inverno antartico. Lo studio e la ricerca sono limitate da questo, dato che in certe aree non è possibile campionare durante la stagione invernale. Ciò nonostante, la ricchezza molecolare derivante dagli adattamenti all’ambiente estremo è un target di interesse estremo.

Ad esempio, le proteine antigelo prodotte dai pesci appartenenti al sottordine Nototenioidea sono state caratterizzate ed il loro meccanismo d’azione studiato a fondo per capire come riescano ad impedire la formazione/accrescimento di cristalli di ghiaccio all’interno dei loro tessuti. Pochi anni fa alcuni ricercatori hanno trovato tracce di proteine antigelo anche nel metagenoma di un consorzio biologico formato dal ciliato Euplotes focardii e da vari batteri psicrofili non coltivati. In particolare, hanno trovato delle Ice-Binding Proteins, proteine che non impediscono la nascita dei cristalli di ghiaccio, bensì il loro accrescimento, legandovisi: posseggono infatti una “faccia” idrofoba esposta al solvente ed una idrofila che si lega al cristallo neoformato, isolandolo dalle altre molecole d’acqua.

Il cambiamento climatico minaccia questi ambienti e, purtroppo, esiste il rischio concreto che l’enorme fantasia di molecole presente nei batteri psicrofili venga persa prima ancora che sia stato possibile studiarla.

McMurdo view
Figura 5 – Visuale della base statunitense permanente di McMurdo [Eli Duke]

Fonti

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