Arsenico, fosforo e batteri

Non indovinerete mai a cosa allude questo titolo. Qualche indizio?Non c’entra la tragica morte di Emma Rouault alias Madame Bovary di Gustave Flaubert né Rasputin e la sua torta alla panna. Non parliamo di transistor o dentisti né di armi chimiche o biologiche.Vi date per vinti?Parliamo di come due ricercatori del MIT siano riusciti a scoprire come evolvono due generi


Non indovinerete mai a cosa allude questo titolo. Qualche indizio?

Non c’entra la tragica morte di Emma Rouault alias Madame Bovary di Gustave Flaubert né Rasputin e la sua torta alla panna. Non parliamo di transistor o dentisti né di armi chimiche o biologiche.

Vi date per vinti?

Parliamo di come due ricercatori del MIT siano riusciti a scoprire come evolvono due generi di batteri. E non parliamo di batteri qualunque. Il primo protagonista è Prochlorococcus, un cianobatterio del picoplancton marino, che si aggiunge quindi alla schiera dei più abbondanti organismi fotosintetici della Terra. Il suo collega Pelagibacter è invece un eterotrofo. Vive anch’esso nelle acque, dolci e salate, ed è membro del clade SAR11 degli alfaproteobatteri. Ciò significa che fa parte probabilmente del gruppo di batteri più numeroso al mondo. Non siamo quindi di fronte a batteri qualunque! Non per niente sono diventati Microbi Marini Modello (noi abbiamo i VIP, loro gli M&Ms).

Questi due generi di batteri, come tutte le popolazioni batteriche, ospitano un’enorme varietà genetica, continuamente plasmata da pressioni selettive, ma anche da processi definiti neutrali. Degni della Svizzera, questi ultimi non stanno né dalla parte dei nostri M&Ms né contro: compaiono nei loro genomi e scompaiono, senza arrecare né benefici né danni. La variazione in queste popolazioni è per la maggior parte adattativa oppure neutrale?

Per cercare di dare una risposta a questo dilemma, gli impavidi ricercatori del MIT hanno studiato le popolazioni di Prochlorococcus e Pelagibacter di due oceani: l’Atlantico ed il Pacifico. In particolare, si sono concentrati sulle stazioni di studio a lungo termine chiamate BATS e HOT-ALOHA. Non indagheremo oltre su questi nomi… Vi basti sapere che il primo acronimo sta per Bermuda Atlantic Time Series mentre il secondo per Hawaii Ocean Time-Series. Studiando i micro-abitanti di queste buffe località i ricercatori speravano di carpire alla storia l’identità delle pressioni selettive che ne plasmano i genomi. Entrambi questi luoghi sono oligotrofici ovvero, come il greco insegna, poveri di sostanze nutritive: niente banchetti per i nostri amici batteri! Tra i due comunque meglio scegliere BATS: subisce infatti rimescolamenti stagionali che lo riforniscono di nutrienti inclusi ferro e altri metalli. In compenso, HOT ha più alte concentrazioni di fosforo. Incontriamo così il primo elemento del titolo, che per i nostri M&Ms non è però tossico, bensì un componente fondamentale della dieta. I due siti, BATS e HOT, sono quindi per le loro caratteristiche ottimi candidati per selezionare i batteri per tratti differenti. Questi tratti entrano a far parte del cosiddetto “genoma flessibile”, che caratterizza popolazioni di microbi che vivono in nicchie differenti proprio perché costituiscono adattamenti ecologici specifici. Come scoprire però se esistono questi tratti e quali sono?

Al MIT hanno utilizzato la tecnica del pirosequenziamento, un metodo piuttosto innovativo e complesso che consente di sequenziare il genoma grazie a reazioni che sfruttano la luce. Per scremare poi i geni importanti, i ricercatori hanno seguito questo ragionamento: in assenza di selezione i geni vengono persi dal genoma per delezione, mentre quelli che vengono invece mantenuti e si diffondono nella popolazione sono ritenuti funzionali e positivi per la fitness dell’organismo. Si può scoprire così quali sono i geni importanti per batteri che vivono in una zona piuttosto che in un’altra ed individuare di conseguenza la forza selettiva in atto.

Si è così scoperto che le popolazioni di Prochlorococcus e Pelagibacter presentano geni rari sia alle Hawaii che alle Bermuda, essendo soggette a continui trasferimenti e perdite di geni. In comune hanno il ciclo dell’urea, il che suggerisce come questa risorsa sia importante in tutti gli ambienti (vi vedo, non storcete il naso!). Nonostante quest’ampia variazione all’interno di ciascuna popolazione, esistono anche geni che differiscono significativamente tra i due ambienti, come ci si aspettava. In particolare sono tutti più frequenti nelle Bermuda e codificano per proteine necessarie all’acquisizione ed al metabolismo del fosforo. Molti di questi geni sono presenti in pochi batteri alle Hawaii, ma addirittura in tutti quelli atlantici! Chiaramente questa osservazione è correlata alla scarsità di fosfato nelle acque superficiali delle Bermuda, che non si registra invece alle Hawaii. L’aspetto più affascinante è che questa è l’unica differenza di contenuto genico che emerge dalle analisi. Ciò significa che la scarsità di fosfato è la forza selettiva più persistente ed influente che ha guidato la divergenza tra le due popolazioni delle due aree. L’adattamento alla scarsità di fosfato è una caratteristica diffusa nell’ecosistema BATS, dal momento che interessa sia Pelagibacter che il suo collega verde-blu Prochlorococcus.

Ecco risolto l’enigma del fosfato! Che dire dell’arsenico? Qui deve nascondersi per forza un delitto!

In effetti questa sostanza è estremamente tossica persino per i batteri. I nostri amici si sono però inventati un modo per difendersi dagli avvelenamenti: possiedono infatti geni codificanti per l’arseniato riduttasi e per la pompa di efflusso dell’arsenito. Forse anche Rasputin ne era dotato! Quando le cellule captano il fosfato, a volte commettono un errore e assumono anche lo ione dell’arsenico: l’arseniato. Dal punto di vista chimico i due sono abbastanza simili, tanto che il secondo può entrare in reazioni che normalmente coinvolgono il primo, da cui l’effetto tossico. Quindi nelle cellule batteriche l’arseniato viene ridotto ad arsenito ed esportato mediante la pompa, detossificando così i poveri malcapitati.

Indovinate dov’è più presente l’arseniato? Ormai non stupisco più nessuno, avete sicuramente indovinato: alle Bermuda! Che siano un triangolo maledetto anche per i batteri? Proprio come ci si potrebbe aspettare, alla stazione BATS Prochlorococcus e Pelagibacter sono arricchiti nei loro genomi di geni codificanti per gli enzimi detossificanti, al contrario dei loro omonimi hawaiani. Quindi anche la tossicità dell’arsenico è un’importante forza selettiva che influenza le due popolazioni.

La tecnica utilizzata dai ricercatori del MIT è quindi un ottimo mezzo per valutare i cambiamenti ambientali e scoprire processi evolutivi fondamentali. Grazie a loro abbiamo scoperto che arsenico e fosforo hanno fatto la storia non solo di Russia ed Iraq (e purtroppo di molti altri Paesi), ma anche delle comunità microbiche.

Ilaria Panzeri

Riferimenti:
Maureen L. Coleman and Sallie W. Chisholm, Ecosystem-specific selection pressures revealed through comparative population genomics. PNAS, 107(43): 18634-18639, 2010.

Fonte dell’immagine: Wikimedia Commons