Estremofili: microrganismi resilienti che ci aiutano a capire il nostro passato

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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, l'abbiamo trovata.

I metodi impiegati da questi organismi per sopravvivere all'estremo 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 distese pianeggianti dove l'acqua è evaporata lasciando dietro di sé elevate concentrazioni di sale. Il sale potrebbe non sembrare una causa ovvia di stress biologico, ma può estrarre abbastanza umidità da una cellula da farla scoppiare, uccidendo l'organismo.

Dunaliella salina, un microrganismo estremofilo.
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Il mio lavoro mirava a scoprire se D. salina è un "estremofilo" (amante delle condizioni estreme) o semplicemente tollerante di condizioni molto salate, 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 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 sua 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 trasporta alte concentrazioni di beta-carotene, una forma di vitamina A, che lo proteggono dai danni dei raggi UV.

In una delle più grandi storie di successo della biotecnologia della storia, D. salina è ora coltivata commercialmente per 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 questi microbi – essere in grado di sopravvivere alle radiazioni UV – per salvare la nostra pelle.

Ma scoperte forse ancora più significative sono arrivate da “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 avuto un test PCR COVID, 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 nel calore di 75-80 ° C dei vulcani attivi, ma sono anche in grado di prosperare nell'ambiente altamente acido a pH 2-3 delle sorgenti vulcaniche, 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

Da quando ho lavorato con i termofili, la mia ricerca mi 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 luridi pigmenti fotosintetici. Un esempio sono le fioriture di neve di alghe rosa e verdi conosciute come "neve di anguria". 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 sotto il ghiaccio. Il loro pigmento viola consente loro di assorbire la luce verde, la principale lunghezza d'onda che penetra nelle acque profonde e nel ghiaccio spesso, in modo più efficiente.

La neve qui è stata colorata dalle alghe della neve.
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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. Sebbene siano spesso larghi solo 5-20 cm, io e i miei colleghi abbiamo trovato centinaia di specie di organismi microscopici in ciascuno di essi.

Il nostro pianeta ha subito diversi periodi di glaciazione, con la sua superficie ghiacciata.
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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 Cryogenian Snowball era particolarmente grave, con il ghiaccio che arrivava fino all'equatore.

Per testare la capacità degli organismi di crioconite di sopravvivere a Snowball Earth, 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 vi era alcuna 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 anche come funzionano le connessioni moderne tra il clima e gli ecosistemi microbici.

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