Scoperti 2500 nuovi microbi

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Scoperti 2500 nuovi microbi

Uno dei più dettagliati studi di genomica di qualsiasi ecosistema ad oggi ha rivelato un mondo sotterraneo di  diversità microbica, e ha aggiunto dozzine di nuovi philum all’albero della vita. La miniera d’oro batterica viene da scienziati che hanno ricostruito i genomi di oltre 2.500 microbi da campioni di sedimento e di acque sotterranee raccolti in una falda acquifera in Colorado.

 

lalbero-della-vita-dei-microbiTutti i principali gruppi batterici noti sono rappresentati da cunei in questo circolare “albero della vita”. I cunei più grandi sono più diversi gruppi. I cunei verdi sono gruppi che non sono stati genomicamente campionati nel sito Rifle – Tutto il resto sono cunei neri precedentemente identificati di gruppi di batteri trovati anche a Rifle. I cunei viola sono gruppi scoperti ed annunciati qualche tempo addietro. I cunei rossi sono nuovi gruppi scoperti in questo studio. I puntini colorati rappresentano importanti processi metabolici dei nuovi gruppi che aiutano a mediare.

Credit: Banfield Group

Uno dei più dettagliati studi di genomica mai attivati per  qualsiasi ecosistema ha rivelato un mondo sotterraneo di diversità microbica e, ha aggiunto dozzine di nuovi philum all’albero della vita.

La miniera d’oro batterica viene da scienziati che hanno ricostruito i genomi di oltre 2.500 microbi da campioni di sedimento e di acque sotterranee raccolti in una falda acquifera in Colorado. Lo sforzo si deve a ricercatori del Dipartimento di Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) e UC Berkeley. Il sequenziamento del DNA è stata eseguita presso il Joint Genome Institute, uno strumento utente del DOE Office of Science.

Gli scienziati hanno compensato genomi dall’ 80 per cento di tutti i noti phyla batterici, un notevole grado di diversità biologica in una sola posizione. Hanno anche scoperto 47 nuovi gruppi di batteri a livello di phylum, nominando molti di loro come tanti influenti microbiologi e tanti altri scienziati. E hanno imparato nuove intuizioni su come le comunità microbiche lavorano insieme per guidare i processi cruciali per il clima e la vita del pianeta ovunque, come ad esempio i cicli del carbonio e azoto.

Questi risultati gettano una nuova  luce su uno dei più importanti e meno compresi ambiti della vita della Terra. Il mondo sotterraneo può ospitare fino a un quinto di tutta la biomassa, ma rimane un mistero.

Non ci aspettavamo di trovare, -dice Jill Banfield, scienziato nella divisione Scienze Clima & Ecosystem di Berkeley Lab e professore dell’Università di Berkeley nei dipartimenti di Terra e Scienze planetarie, Scienze ambientali, politica e gestione- questa incredibile diversità microbica. Ma, sappiamo poco sul ruolo di microbi nel sottosuolo in processi biogeochimici, e più in generale, non sappiamo veramente cosa c’è là sotto“.

Karthik Anantharaman ( UC Berkeley), primo autore della carta, aggiunge, “per capire meglio quali microbi  del sottosuolo  vi sono, il nostro approccio è quello di accedere a tutti i loro genomi. Questo ci ha permesso di scoprire una maggiore interdipendenza tra i microbi che abbiamo visto prima “.

La ricerca è parte di un progetto Berkeley Lab guidato chiamato sostenibili sistemi scientifici di messa a fuoco 2.0, che sviluppa una comprensione predittiva di ambienti terrestri, dal genoma alla scala di bacino. La ricerca sul campo del progetto si svolge in un sito di ricerca vicino alla città di Rifle (Colorado), dove negli ultimi anni gli scienziati hanno condotto esperimenti progettati per stimolare le popolazioni di microbi sotterranei, naturalmente presenti in numero molto basso.

Gli scienziati hanno inviato campioni di terreno e di acqua da questi esperimenti per la Joint Genome Institute per un sequenziamento metagenomico su scala terabase. Questo metodo high-throughput isolati, purifica DNA da campioni ambientali, e quindi sequenzia un trilione di paia di basi di DNA alla volta. Successivamente, gli scienziati hanno usato strumenti bioinformatici sviluppati nel laboratorio di Banfield per analizzare i dati.

Il loro approccio ha ridisegnato l’albero della vita. Tra i 47 nuovi gruppi batterici riportati in questo lavoro, e 35 nuovi gruppi pubblicati di recente, la squadra di Banfield ha raddoppiato il numero di gruppi di batteri noti.

Con la scoperta si arrivano anche diritti di denominazione. Gli scienziati hanno chiamato molti dei nuovi gruppi di batteri dopo il lavoro dei ricercatori di Berkeley Lab e UC Berkeley. Ad esempio, c’è Candidatus Andersenbacteria, dopo Gary Andersen inventore del PhyloChip, e c’è Candidatus Doudnabacteria, dopo l’avvento del pioniere Jennifer Doudna per l’editing-genoma- CRISPR  . ” Berkeley ora domina l’albero della vita -dice Banfield-, come fa la tavola periodica”,accennando ai sedici elementi scoperti a Berkeley Lab e UC Berkeley.

Un altro grande risultato è una più profonda comprensione dei ruoli  che i microbi del sottosuolo giocano a livello globale importante per i cicli di carbonio, idrogeno, azoto, zolfo . Queste informazioni aiuteranno a meglio rappresentare questi cicli in modelli predittivi e,  su come possono determinare certe simulazioni climatiche.

Il metabolismo

Gli scienziati hanno condotto analisi del 36 per cento degli organismi rilevati nel sistema acquifero. Si sono concentrati su un fenomeno chiamato transizione metabolica, che significa in sostanza che i rifiuti di un microbo diventano cibo di un altro microbo. E ‘noto da studi di laboratorio che sono necessarie transizioni in alcune reazioni, ma queste reti interconnesse sono diffuse e notevolmente più complesse nel mondo reale.

Per capire il motivo per cui è importante  rappresentare transizioni metaboliche più accuratamente possibile nei modelli, si deve prendere in considerazione il nitrato, un contaminante sotterraneo originato dai fertilizzanti. I microbi  del sottosuolo sono il driver primario nel ridurre nitrati in azoto innocuo. Ci sono quattro fasi di questo processo di denitrificazione, e il terzo passo crea ossido nitroso – uno dei gas serra più potenti. Il processo si rompe se microbi che effettuano il quarto passo sono inattivi quando una quantità di nitrato entra nel sistema.

“Se i microbi non sono lì per accettare, -spiega Anantharaman -, la transizione a partire da protossido di azoto, il gas serra si diffonde nell’atmosfera”.

Gli scienziati hanno scoperto che i cicli di carbonio, idrogeno, azoto, zolfo sono tutti guidati da transizioni metaboliche che richiedono un grado inaspettatamente elevato di interdipendenza tra i microbi. La stragrande maggioranza dei microrganismi non può ridurre interamente un composto da solo. Ci vuole una squadra. Ci sono anche i microbi “backup” pronti per eseguire una transizione  anche se non sono disponibili microbi che realizzano la prima trasformazione.

“La combinazione di alta diversità microbica, -dice Banfield– e le interconnessioni attraverso handoff metabolici probabilmente si traducono in un alta resilienza degli ecosistemi”.

 

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