Come gli estremofili ci aiutano a capire il nostro passato – e futuro

I metodi impiegati dagli estremofili per sopravvivere ci hanno insegnato come la vita è sopravvissuta a 100 milioni di anni di un'era glaciale globale

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di Jaz L Millar – PhD Researcher in Scienze della Terra e dell’Ambiente, Università di Cardiff

Nelle famigerate parole del consulente di Jurassic Park, il dottor Ian Malcolm“la vita trova un modo”. Nelle profondità dell’oceano, nelle sorgenti vulcaniche, sotto quattro metri di ghiaccio: quasi ovunque gli scienziati possano pensare di cercare la vita sulla Terra, la trovano.

I metodi impiegati dagli estremofili per sopravvivere alle condizioni più estreme ci hanno insegnato come proteggere meglio i nostri corpi, come copiare il DNA per diagnosticare meglio le malattie e come la vita è sopravvissuta a 100 milioni di anni di un’era glaciale globale.

Nel corso della mia carriera ho collezionato organismi provenienti da ambienti estremi. La prima era un’alga unicellulare, nota come Dunaliella salina, che abita le saline: ampie e pianeggianti distese di terreno dove l’acqua è evaporata lasciando dietro di sé altissime concentrazioni di sale. Il sale può non sembrare una causa ovvia di stress biologico, ma può estrarre abbastanza umidità da una cellula da farla disseccare, uccidendo l’organismo.

Microrganismi giallo-verdi
Dunaliella salina, un microrganismo estremofilo. Wikimedia

Il mio lavoro mirava a scoprire se D. salina è un “estremofilo” (amante delle condizioni estreme) o semplicemente in grado di tollerare alte concentrazioni di sale, con una preferenza per meno sale. Quest’ultimo non era certo il caso: infatti, non ho mai trovato il suo stato ottimale, in quanto più si aggiungeva sale e più cresceva. Era un vero organismo estremofilo.

D. salina compensa lo stress salino trasportando alti livelli di glicerolo (una sostanza chimica liquida dal sapore dolce) all’interno della sua cellula, bilanciando la direzione in cui l’acqua viene tirata per impedire all’acqua di essere estratta dalla cellula per osmosi. Deve anche fare i conti con livelli incredibilmente alti di radiazioni UV nelle saline secche ed esposte in cui vive. Ecco perché contiene alte concentrazioni di beta-carotene, una forma di vitamina A, che protegge dai danni dei raggi UV.



In una delle più grandi storie di successo della biotecnologia della storia, D. salina è ora commercialmente coltivata per produrre integratori alimentari e prodotti per la cura della pelle: in particolare per fondotinta e creme per il viso che proteggono la pelle dai raggi UV. In effetti, gli scienziati hanno rubato il “superpotere” di questo microorganismo – quello di essere in grado di sopravvivere alle radiazioni UV – per salvare la nostra pelle.

Ma scoperte forse ancora più significative sono arrivate dai “termofili”, ovvero organismi amanti del calore. È da questi microrganismi termofili che gli scienziati hanno estratto proteine ​​termostabili in grado di mantenere la loro forma molecolare sopra i 60°C, la temperatura necessaria per separare e replicare il DNA per esaminarlo. Se hai fatto un test COVID PCR, ad esempio, il tuo campione di DNA è stato sottoposto a questo processo. Questa capacità di replicare, o “amplificare”, il DNA a livelli che possiamo rilevare ha rivoluzionato la scienza medica e biologica.

All’Università di York, ho studiato i meccanismi cellulari di un microrganismo ipertermofilo noto come Sulfolobus. Questi incredibili microbi appartengono al dominio degli archei, il terzo ramo della vita insieme a batteri ed eucarioti.

I sulfolobus non sono solo a loro agio a temperature di 75-80°C nei vulcani attivi, ma sono anche in grado di prosperare nell’ambiente altamente acido con pH 2-3 delle sorgenti vulcaniche, acide all’incirca come il succo di limone o l’aceto. Imparare i loro segreti può aiutarci a scoprire molecole che possono rimanere stabili a temperature ancora più elevate, fornendo analisi ancora più versatili che potrebbero aiutarci a fare passi avanti nella ricerca sanitaria, genetica e ambientale.

Dal caldo al freddo

La ricerca sui termofili ha portato all’altro estremo della vita sul nostro pianeta. Negli ultimi quattro anni ho studiato i microrganismi che vivono nell’Artico e nell’Antartico. Sebbene da lontano i poli della Terra possano sembrare incontaminati e non toccati dalla vita, i microrganismi persistono e persino prosperano.

Molti di questi microrganismi aggiungono macchie di colore brillante al paesaggio, grazie ai loro pigmenti fotosintetici. Un esempio sono le fioriture nella neve di alghe rosa e verdi conosciute come “neve di cocomero”. Perfora la superficie di laghi ghiacciati come il lago Untersee in Antartide e troverai stuoie viola brillanti di cianobatteri fotosintetici, così colorati a causa dei bassi livelli di luce che ricevono sotto il ghiaccio. Il loro pigmento viola consente loro di assorbire la luce verde, la lunghezza d’onda principale che penetra nelle acque profonde e nel ghiaccio spesso, in modo più efficiente.

Neve colorata con fossette
La neve qui è stata colorata dalle alghe della neve. Wikimedia

Sorprendentemente, nonostante la scarsa disponibilità di luce e sostanze nutritive, nelle regioni polari si possono persino trovare cianobatteri blu-verdi attaccati a minuscoli pori all’interno e al di sotto delle rocce. In un ambiente così ostile con così poca vita fotosintetica che produce energia per alimentare la catena alimentare, questi cianobatteri sono una base fondamentale dell’ecosistema locale.

Mentre i miei colleghi del Museo di storia naturale di Londra hanno lavorato su quelle comunità colorate, ho studiato i “buchi neri della criosfera” (zone di acqua ghiacciata) noti come buchi di crioconite. I fori di crioconite sono piccole sacche di acqua di disgelo contenenti sedimenti scuri che conferiscono alle zone di fusione dei ghiacciai un aspetto maculato. Anche se spesso sono larghi solo 5-20 cm, io e i miei colleghi abbiamo trovato centinaia di specie di organismi microscopici in ciascuno di essi.

È stato proposto che questi punti caldi della diversità delle specie avrebbero potuto fornire rifugio a una serie di microrganismi durante il periodo della Terra delle palle di neve, un’era glaciale globale avvenuta 720-635 milioni di anni fa, poco prima della comparsa degli animali nei reperti fossili. Il nostro pianeta ha subito molti periodi di glaciazione, ma la Terra a palla di neve fu particolarmente grave, con l’intera superficie del pianeta coperta da una crosta di ghiaccio che arrivava da un polo all’altro.

Per testare la capacità degli organismi di crioconite di sopravvivere durante la Terra a palla di neve, abbiamo confrontato la crescita di organismi di crioconite incubati a una temperatura estiva antartica costante (0,5 ° C) con crioconiti congelati a -5 ° C per 12 ore all’interno di ogni periodo di 24 ore. Dopo un mese, i nostri risultati iniziali hanno mostrato che non c’era differenza osservabile tra i gruppi 0,5°C e -5°C. Sorprendentemente, essere completamente congelati ogni notte non ha nemmeno rallentato la crescita di questi organismi.

Si spera che questa ricerca ci aiuterà a imparare non solo come la vita è sopravvissuta ai climi estremi del passato, ma come funzionano le connessioni moderne tra il clima e gli ecosistemi microbici.

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