Come le comunità microbiche plasmano l’ecologia marina

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I batteri marini colonizzano una particella nutritiva che affonda e scompongono
I batteri marini colonizzano una particella nutritiva che affonda e scompongono il materiale organico. Il riciclo della neve marina è un processo chiave nel ciclo del carbonio dell’oceano.
Un progetto di ricerca internazionale guidato dal Politecnico di Zurigo e dal MIT riceve nuovamente 15 milioni di dollari dalla Fondazione Simons di New York per studiare il comportamento di batteri e microalghe marine. L’attenzione è rivolta alle comunità microbiche che influenzano il ciclo del carbonio nell’oceano.

Senza microrganismi, non ci sarebbe vita superiore. I batteri e le alghe unicellulari formano comunità dinamiche che controllano processi ecologici fondamentali: costruiscono la biomassa, decompongono il materiale organico morto e riciclano gli elementi della vita. "Nonostante la loro enorme importanza, si sa ancora poco sulla natura delle società microbiche", spiega il professor Roman Stocker dell’Istituto di ingegneria ambientale del Politecnico di Zurigo.

Dal maggio 2017, Stocker, insieme al suo team e a nove gruppi di ricerca di varie università, è alla ricerca dei principi funzionali alla base degli ecosistemi microbici nell’oceano. Il progetto Principles of Microbial Ecosystems (PriME) è guidato congiuntamente dal Politecnico di Zurigo e dal Massachusetts Institute of Technology (MIT) e sostenuto finanziariamente dalla Fondazione americana Simons (vedi comunicato stampa). Stocker è co-direttore di PriME e ha avviato il progetto sei anni fa.

Recentemente, PriME è entrato nel secondo round: la Fondazione Simons sostiene nuovamente il consorzio nella seconda fase del progetto con 15 milioni di dollari USA per analizzare le interazioni tra batteri marini e alghe unicellulari su scala microscopica nei prossimi cinque anni. Anche in questo caso sono coinvolti tre gruppi di ricerca del Politecnico di Zurigo: i professori Martin Ackermann, Uwe Sauer e Roman Stocker riceveranno dalla New York Foundation un totale di 4,2 milioni di dollari USA. L’obiettivo generale rimane lo stesso: i partner del progetto vogliono capire come i microbi marini formano le comunità e come funzionano queste associazioni.

Conoscenze ingegneristiche per nuovi strumenti di ricerca

Le dinamiche delle società microbiche sono determinate dal comportamento dei loro membri, che spesso sono tutt’altro che inerti: "Molti microbi possono nuotare. Percepiscono attivamente l’ambiente, si muovono in modo mirato e interagiscono con esso", spiega Stocker.

Tuttavia, rendere visibile l’interazione di queste cellule è difficile. Più di un milione di microbi brulicano in una sola goccia di acqua di mare. "La scala delle interazioni batteriche è così piccola che non possiamo studiarla con i metodi oceanografici standard", spiega l’ingegnere ambientale. Nel suo laboratorio presso il Dipartimento di Ingegneria Civile, Ambientale e Geomatica, sta sviluppando metodi per la microecologia che colmano questa lacuna metodologica.

Stocker è un pioniere nel campo della microfluidica ambientale. Il suo gruppo utilizza le tecniche microfluidiche, solitamente impiegate dagli ingegneri chimici per gestire piccole quantità di fluidi, e le combina con la moderna microscopia e l’imaging per studiare i microecosistemi.

Test comportamentali per singoli microbi

Con la microfluidica ambientale, ad esempio, è possibile visualizzare il comportamento dei singoli microbi ad alta risoluzione e quantificare allo stesso tempo i processi metabolici. Questo apre nuove prospettive: "Possiamo non solo seguire come le singole cellule si muovono e decidono, ma anche verificare perché lo fanno", spiega l’ingegnere ambientale.

Un esempio è il test di preferenza chimica per i microbi, che i ricercatori hanno sviluppato appositamente per l’uso in oceano aperto. L’"In situ Chemotaxis Assay", in breve ISCA, consiste in una piastra di plastica delle dimensioni di una carta di credito con all’interno piccole camere collegate al mondo esterno tramite sottili canali - una sorta di trappola per aragoste in formato micro. I batteri che gradiscono l’"odore" di un attrattivo nella trappola seguono la traccia e vi nuotano dentro.

La capacità dei batteri di nuotare specificamente in direzione di sostanze più concentrate o di allontanarsi è chiamata chemiotassi. Fino a poco tempo fa, questo comportamento era noto solo grazie a esperimenti di laboratorio.


Imicrobi marini trovano cibo per via chemiotattica

Utilizzando il chip microfluidico dell’ISCA, il team di Stocker, insieme ai colleghi australiani, ha potuto studiare per la prima volta come i batteri marini cercano il cibo nell’oceano. In uno studio di alto profilo pubblicato su Nature lo scorso aprile, i ricercatori sono riusciti a dimostrare che un’ampia varietà di specie batteriche nelle acque costiere al largo di Sydney utilizza la chemiotassi per cercare il fitoplancton, microalghe che assorbonoCO2 dall’acqua e producono sostanze organiche attraverso la fotosintesi. Alcune delle sostanze sintetizzate vengono rilasciate dalle alghe nell’acqua di mare e costituiscono il cibo preferito dai batteri: In un ambiente altrimenti povero di nutrienti, essi fiutano il cibo e si dirigono specificamente verso questi punti caldi su microscala di molecole alimentari disciolte.

Il fatto che i batteri selvatici trovino il loro cibo attraverso la chemiotassi è stato sospettato per decenni, ma non è mai stato confermato nell’oceano libero. Il risultato è rilevante dal punto di vista ecologico: Quando i batteri mobili cercano specificamente il cibo, il loro tasso di successo aumenta notevolmente. Ciò consente anche ai microbi rari di riunirsi in gran numero intorno a una fonte di cibo.

Le singole cellule vive di fitoplancton sono sempre circondate da diverse specie di batteri che si nutrono dei loro prodotti di sintesi. Si tratta di una delle interazioni più importanti dei microrganismi nell’oceano: il metabolismo collettivo di questa comunità microbica ricicla materiale organico, riciclaCO2 e quindi guida il ciclo del carbonio nell’oceano.

Ildegrado della neve marina smorza la pompa del carbonio

Il fitoplancton è anche protagonista di un’altra interazione significativa, in cui si riversa negli abissi sotto forma di neve marina. Il fenomeno deriva dai miliardi e miliardi di alghe unicellulari che crescono negli strati superiori dell’acqua inondati di luce, poi muoiono e affondano verso il fondo marino sotto forma di particelle organiche. In questo modo, la "pompa biologica del carbonio" trasporta continuamente il carbonio legato in profondità. Tuttavia, un processo opposto rallenta il flusso di carbonio: Durante lo sprofondamento, i fiocchi di neve vengono colonizzati da innumerevoli batteri che decompongono la maggior parte del materiale organico e produconoCO2.

"Anche se solo una frazione del carbonio raggiunge il fondo e viene immagazzinata, la pompa biologica del carbonio garantisce comunque che gli oceani assorbano grandi quantità diCO2 dall’atmosfera", spiega Stocker. Il suo team ha analizzato più da vicino la lotta microbica sul carico di acque profonde e ha scoperto che i batteri decompongono le particelle che affondano fino a dieci volte più velocemente di quanto ipotizzato in precedenza sulla base di esperimenti di laboratorio in acque prive di correnti. Una visione ad alta risoluzione della dinamica su microscala intorno ai fiocchi che gocciolano ha rivelato il motivo: la corrente di affondamento lava costantemente via i sottoprodotti della decomposizione che altrimenti renderebbero visibilmente più difficile il lavoro degli enzimi batterici.


"Ad esempio, per valutare meglio le conseguenze dei cambiamenti climatici sui processi ecologici chiave, è fondamentale sapere come le numerose specie delle società microbiche interagiscono tra loro".

Roman Stocker
Questo riduce la quantità di carbonio che raggiunge i fondali marini. Sulla base dei calcoli del modello del flusso di carbonio, i ricercatori stimano che l’aumento della degradazione delle particelle riduca l’efficienza teorica di trasporto della pompa del carbonio alla metà, il che concorda bene con le misure macroscopiche del trasporto reale di carbonio nell’oceano.

Focus sui processi ecologici chiave

Negli ultimi cinque anni, il consorzio Prime ha prodotto oltre 60 pubblicazioni, la maggior parte delle quali ha fatto luce su come i microbi trovano il cibo e come lo utilizzano. Nel progetto successivo, i partner intendono ora concentrarsi deliberatamente sui due micro-ecosistemi ecologicamente importanti che circondano il fitoplancton e le particelle di neve marina. In particolare, verranno approfondite le interazioni tra batteri e alghe unicellulari e quelle tra batteri e neve marina.

All’ETH, Stocker lavorerà a stretto contatto con Martin Ackermann e Uwe Sauer. Ackermann è direttore dell’Eawag e dirige il gruppo di ecologia microbica presso l’ETH, l’Eawag e l’EPFL. È un esperto di individualità batterica e apporta al team una profonda comprensione di come le interazioni tra le singole cellule batteriche influenzino la comunità. Sauer è un biologo dei sistemi e uno specialista dei processi metabolici batterici. Contribuisce con metodi all’avanguardia a misurare le sostanze scambiate dai microbi nelle comunità ad alta risoluzione. Insieme, i ricercatori vogliono costruire un ponte dal comportamento delle singole cellule alla funzione ecologica degli oceani. Ciò include, tra l’altro, gli effetti delle comunità microbiche sul flusso di carbonio nell’oceano.

"Per esempio, per valutare meglio le conseguenze dei cambiamenti climatici sui processi ecologici chiave, è fondamentale sapere come le numerose specie delle società microbiche interagiscono tra loro", osserva Stocker. In questo modo, lo studio delle cose più piccole può aiutarci a comprendere meglio il nostro mondo su scala più ampia.