I microrganismi: un potenziale marker della salute degli oceani

Gli oceani coprono oltre il 70% della superficie globale e superano i 3 km di profondità. I microrganismi degli oceani ne rappresentano oltre la metà della biomassa (Fig. 1) e, grazie alla fotosintesi, assorbono un terzo della CO2 rilasciata dalle attività umana. Al contempo, una quantità eccessiva di CO2, abbassa il pH oceanico e a pagarne il prezzo sono soprattutto la flora, la fauna e le comunità microbiche.

La ricerca sul microbiota oceanico nasce alla fine del 1600, con la prima osservazione al mondo di microrganismi acquatici e la prima coltura agli inizi del 1900. Batteri e archeobatteri, eucarioti unicellulari (funghi, protisti, microeucarioti e fitoplancton, conosciuto principalmente sotto forma di microalghe) e perfino virus popolano le acque e i fondali marini. Si stima che esistano circa 200.000 tipi di virus marini, contro i 150.000 taxa di micro-eucarioti e gli altri 35.000 di batteri e archeobatteri.

Figura 1 – L'insieme dei microrganismi che popolano gli oceani – [Credits: Nature] — *Figura 1 – L’insieme dei microrganismi che popolano gli oceani – [Credits: Nature]*

Il ruolo della genetica nello studio del microbiota oceanico

Da tempo la biologia sta studiando gli ecosistemi marini, da sempre analizzati applicando parametri tipici di quelli terrestri, quando in realtà hanno caratteristiche ben diverse. Il numero complessivo di geni e gran parte delle loro funzioni sono ignote rispetto a quelli dell’intestino umano. Tara Oceans, la più grande indagine mondiale sui geni oceanici, ha individuato 50 milioni di procarioti e 100 milioni di micro-eucarioti.
Infine, lo studio del microbiota oceanico è molto più complesso perché include l’esposizione a diversi fattori ambientali e la considerazione di altri elementi oltre all’acqua marina come sedimenti, barriere coralline, bocche idrotermali ecc.

Figura 2 – Itinerario della Tara – Mission Microbiomes finalizzata ad approfondire i segreti degli oceani. [Credits: Fondation Tara Ocean] — Figura 2 – Itinerario della Tara – Mission Microbiomes, promossa dalla Stazione Zoologica Anton Dohrn di Napoli e finalizzata ad approfondire i segreti degli oceani. [Credits: Fondation Tara Ocean]

I geni potrebbero potrebbero aiutarci a definire un indice di salute dell’oceano, in relazione alla qualità dell’acqua, alla biodiversità e al sequestro del carbonio. Infatti, tale indice potrebbe consentirci di contrastare le minacce ambientali da un lato, e di ripristinare lo stato originario degli oceani dall’altro – specie nelle zone costiere, che sono quelle più esposte.
Servono piattaforme come JPI Oceans o iniziative del calibro di l’Ocean Sampling Day (OSD), che consente ai biologi marini di tutto il mondo di campionare le acque superficiali delle aree costiere.

Impieghi dei microrganismi marini

Le DNA polimerasi utilizzate nella PCR derivano da batteri idrotermali dello sfiato, e la recente dolastatina antitumorale o Dolastatin 10 (Fig. 2) è un enzima che deriva da cianobatteri. Inoltre, la Salinosporamide A, in fase di sperimentazione nella cura di diverse forme di cancro, deriva dal batterio marino Salinispora tropica. Infatti, si ipotizza un suo futuro impiego contro un tumore cerebrale molto aggressivo, che spesso culmina con la morte del paziente. Ma non finisce qui perché i microrganismi hanno permesso di sviluppare soluzioni green, riprodurre microalghe come fonte di cibo o per il sequestro del carbonio, ecc.

Figura 3 – Struttura chimica della dolastatina, un peptide sintetasi derivato da cianobatteri microrganismi degli oceani. [Credits: National Library of Medicine]. — *Figura 3 – Struttura chimica della dolastatina [Credits: National Library of Medicine].*

Affinché la ricerca progredisca, bisogna favorire i finanziamenti e un alleggerire le leggi che limitano la ricerca. Una delle più restrittive è il Protocollo di Nagoya della Convenzione sulla Diversità Biologica che, nonostante promuova la tutela della biodiversità, subordina la ricerca ai diritti sovrani dei paesi sulla loro biodiversità.

Il riscaldamento globale: una variabile non indifferente

Fenomeni antropici come l’acidificazione o le microplastiche stanno modificando la crescita e la composizione delle popolazioni marine, creando perfino nuovi habitat. Solo nel 2017 si prevedeva che il riscaldamento delle case avrebbe innalzato la temperatura delle acque di 1-10° nei successivi 100 anni. Tali sbalzi termici condizionano le strutture cellulari e le funzionalità dei microrganismi, in quanto ognuno ha una propria temperatura ottimale. Diverse ricerche evidenziano come l’acidificazione degli oceani si ripercuota sulla crescita e la calcificazione del corallo. Comprendere come questi fattori si relazionano all’oceano e ai suoi abitanti, ci consentirebbe di caratterizzarne meglio il funzionamento e il loro ruolo nella regolazione del clima.

Il corallo e i suoi microrganismi risentono dell’acidificazione oceanica

Nel corallo Galaxea Fascicularis si è osservata una forte correlazione tra pH e Proteobatteri. In particolare, nei coralli acidificati i γ-Proteobacteria (Pseudomonas, Escherichia-Shigella, Citrobacter e Aeromonas) si riducono dal 65% al 10%. Gli α– e δ-Proteobacteria tollerano meglio l’abbassamento del pH rispetto ai β-Proteobacteria; mentre gli stessi α-Proteobacteria (Variibacter), Actinobacteria e Acidobacteria aumentano. Infine, la struttura fungina sembra non essere influenzata da suddette variazioni.

*Figura 4 – Galaxea Fascicularis [Credits: Alamy]*

Conclusioni

L’oceano è una miniera di conoscenze e applicazioni. I suoi microrganismi possono mitigare le conseguenze delle attività umane, ormai visibili anche all’occhio più inesperto, ed enzimi come la Salinosporamide A potrebbero contribuire allo sviluppo di terapie rivoluzionarie. Il progresso richiede, però, grande flessibilità mentale e una visione più ampia del futuro. Una strada che non può prescindere dalla tutela dell’ambiente e di specie prossime all’estinzione.

Fonti:

Tara Ocean Foundation., Tara Oceans., European Molecular Biology Laboratory (EMBL). et al. Priorities for ocean microbiome research. Nat Microbiol 7, 937–947 (2022)
Zhenyue Lin, Liuying Wang, Mingliang Chen, Xinqing Zheng, Jianming Chen, Proteome and microbiota analyses characterizing dynamic coral-algae-microbe tripartite interactions under simulated rapid ocean acidification, Science of The Total Environment, Volume 810, 2022, 152266
Hutchins, D., Fu, F. Microorganisms and ocean global change. Nat Microbiol 2, 17058 (2017).
www.embrc.eu/newsroom/events/ocean-sampling-day-2021#:~:text=With%20support%20from%20EMBRC%2C%20and,of%20the%20world%27s%20coastal%20areas
https://jpi-oceans.eu/en/who-we-are