L'oceano come fonte di sostanze naturali
Gli Scoprite l'ETH utilizzano i dati sul DNA per scoprire non solo nuovi tipi di batteri nell'acqua di mare, ma anche sostanze naturali sconosciute che un giorno potrebbero essere utili.
L'acqua di mare ospita innumerevoli creature, dall'animale più grande del pianeta, la balenottera azzurra, a minuscoli microrganismi. Questi ultimi non sono solo molto numerosi, ma anche importanti per il funzionamento dell'intero ecosistema e del sistema climatico. Ad esempio, i microrganismi attivi dal punto di vista fotosintetico, come i cianobatteri, producono circa il 50% dell'ossigeno presente in atmosfera. Questi microrganismi rimuovono anche l'anidride carbonica dall'atmosfera, contrastando così il riscaldamento globale.
Nonostante la loro importanza, la diversità dei microrganismi marini ha appena iniziato a essere esplorata. Un gruppo di ricercatori guidati da Shinichi Sunagawa, professore di microbiomica, ha quindi unito le forze con il gruppo di J?rn Piel, entrambi presso l'Istituto di microbiologia dell'ETH di Zurigo, e Serina Robinson dell'Eawag.
Per rintracciare nuove sostanze naturali prodotte da batteri, Sunagawa e i suoi collaboratori hanno analizzato i dati sul DNA di 1000 campioni d'acqua provenienti da tutte le regioni marine del mondo e da diverse profondità. I dati provengono, tra l'altro, da spedizioni oceaniche e piattaforme di osservazione in mare.
Grazie a metodi moderni, come l'analisi del DNA presente nell'ambiente (eDNA = environmental DNA), è diventato più facile cercare nuove specie e scoprire quali organismi noti sono presenti dove. Poco si sa degli "effetti speciali" dei microrganismi marini, cioè dei composti chimici che producono e che sono importanti per le interazioni tra gli organismi. Tali composti possono anche avere un beneficio per gli esseri umani. La ricerca ipotizza che il microbioma marino abbia un grande potenziale di sostanze naturali che potrebbero essere interessanti, ad esempio, come antibiotici.
L'eDNA presente nei campioni è stato estratto e analizzato componente per componente. Gli scienziati hanno quindi ricostruito al computer interi genomi e li hanno utilizzati per accedere alle informazioni codificate nei geni, ovvero le cianografie delle proteine. Infine, hanno unito i nuovi dati con le 8.500 serie di genomi di microrganismi marini esistenti in un unico database.
Questo ha permesso loro di accedere a 35.000 genomi per cercare nuovi tipi di microrganismi e, in particolare, cluster di geni biosintetici (BGC) promettenti. Un BGC è un gruppo di geni che fornisce le istruzioni per la costruzione di un prodotto naturale.
Scoperte nuove specie e molecole
In questi dati genomici, i ricercatori hanno individuato non solo molti BGC potenzialmente interessanti - 40.000 in totale - ma anche specie batteriche sconosciute appartenenti al phylum dei Eremiobacterota. Questo gruppo di batteri era precedentemente conosciuto solo da habitat terrestri e non era caratterizzato da una particolare diversità biosintetica.
Sunagawa e i suoi collaboratori hanno ribattezzato una famiglia di questi batteri come Eudoremicrobiaceae e dimostrano anche che questi batteri sono comuni e diffusi: Una specie di questa famiglia, Eudoremicrobium malaspinii,L'oceano è una fonte di sostanze naturali, in quanto contiene fino al 6% di tutti i batteri presenti in alcune aree marine.
"I parenti del mare hanno un genoma enorme per i batteri, la cui decodifica completa è stata tecnicamente impegnativa poiché gli organismi non erano stati coltivati prima", sottolinea Sunagawa. I nuovi batteri si sono rivelati anche il gruppo di microrganismi con la più alta diversità di BGC in tutti i campioni analizzati. "Attualmente sono la famiglia più diversificata dal punto di vista biosintetico nella colonna d'acqua dell'oceano", spiega Sunagawa.
Due dei BGC di EudoremicrobiaceaeI ricercatori hanno analizzato in modo approfondito un gruppo di geni che contiene il codice genetico di enzimi che, secondo Sunagawa, non sono mai stati trovati in questa costellazione in un BGC batterico. Come secondo esempio, hanno analizzato una sostanza naturale bioattiva che inibisce un enzima che taglia le proteine.
Sorpresa durante i test sperimentali
In collaborazione con il gruppo di J?rn Piel, i ricercatori hanno analizzato sperimentalmente la struttura e la funzione dei due prodotti naturali.
Da quando E. malaspinii Poiché non era possibile coltivare il batterio, i collaboratori di Piel hanno dovuto prima impiantare i geni in un batterio modello come istruzioni per la produzione di sostanze naturali. Questo ha poi prodotto le sostanze corrispondenti. I ricercatori hanno quindi isolato le molecole dalle cellule, determinato la loro struttura e testato la loro attività biologica.
Questo è stato necessario perché in un caso l'attività enzimatica prevista dai programmi informatici non corrispondeva ai risultati determinati sperimentalmente. Sunagawa: "Le previsioni al computer sulle reazioni chimiche che un enzima effettuerà hanno dei limiti. Ecco perché, in caso di dubbio, tali previsioni devono sempre essere verificate in laboratorio".
Questo richiede molto tempo, è complesso e non è fattibile per i 40.000 potenziali prodotti naturali che giacciono dormienti nel database. Ma: "Il nostro database ha un grande potenziale. ? aperto a tutti i ricercatori interessati", sottolinea il ricercatore.
Oltre a continuare la collaborazione con il gruppo di Piel per la scoperta di nuovi prodotti naturali, Sunagawa vuole affrontare questioni aperte sull'evoluzione e l'ecologia dei microrganismi marini, come ad esempio la distribuzione dei microrganismi nel mare, che possono diffondersi solo passivamente su grandi distanze. Vuole anche scoprire quale vantaggio ecologico o evolutivo conferiscono alcuni geni ai microbi. Il professore dell'ETH sospetta che i BGC possano svolgere un ruolo importante in questo senso.
Riferimento alla letteratura
Paoli P, Ruscheweyh H-J, Forneris CC, et al. Potenziale biosintetico del microbioma oceanico globale. Nature, 2022. DOI: pagina esterna10.1038/s41586-022-04862-3