Come le comunità microbiche plasmano l'ecologia marina
Un progetto di ricerca internazionale guidato dall'ETH di Zurigo e dal MIT ha ricevuto ancora una volta 15 milioni di dollari dalla Fondazione Simons di New York per studiare il comportamento dei batteri e delle microalghe marine. L'attenzione è rivolta alle comunità microbiche che influenzano il ciclo del carbonio nell'oceano.
Senza i microrganismi non esisterebbe la vita superiore. I batteri e le alghe unicellulari formano comunità dinamiche che controllano processi ecologici fondamentali: costruiscono la biomassa, decompongono gli organi morti e riciclano gli elementi della vita. "Nonostante la loro enorme importanza, si sa ancora poco sulla natura delle società microbiche", afferma l'ETH Professor Roman Stocker dell'Istituto di ingegneria ambientale.
Da maggio 2017, Stocker, il suo team e nove gruppi di ricerca di varie scuole universitarie sono alla ricerca dei principi funzionali alla base degli ecosistemi microbici nell'oceano. Il progetto Principles of Microbial Ecosystems (PriME) è guidato congiuntamente dall'ETH di Zurigo e dal Massachusetts Institute of Technology (MIT) e finanziato dalla Fondazione Simons degli Stati Uniti (cfr. Il comunicato stampa). Stocker è co-direttore di PriME e ha co-iniziato il progetto sei anni fa.
PriME è recentemente entrato nel suo secondo ciclo: la Fondazione Simons sostiene nuovamente il consorzio nella seconda fase del progetto con 15 milioni di dollari USA per analizzare le interazioni dei batteri marini e delle alghe unicellulari su scala microscopica nei prossimi cinque anni. Anche in questo caso sono coinvolti tre gruppi di ricerca dell'ETH di Zurigo: i professori Martin Ackermann, Uwe Sauer e Roman Stocker riceveranno dalla fondazione newyorkese un totale di 4,2 milioni di dollari. L'obiettivo generale rimane lo stesso: i partner del progetto vogliono capire come i microbi marini formano le comunità e come funzionano queste associazioni.
Competenze 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 il loro ambiente, si muovono in modo mirato e interagiscono con esso", spiega Stocker.
Tuttavia, visualizzare l'interazione di queste cellule è difficile. Una sola goccia di acqua di mare brulica di oltre un milione di microbi. "La scala delle interazioni batteriche è così piccola che non possiamo analizzarle con i metodi oceanografici convenzionali", spiega l'ingegnere ambientale. Nel suo laboratorio presso il Dipartimento di ingegneria civile, ambientale e geomatica, sta sviluppando metodi di microecologia che colmano questa lacuna metodologica.
Stocker è un pioniere nel campo della microfluidica ambientale. Il suo gruppo utilizza le tecniche microfluidiche, che gli ingegneri chimici usano per gestire minuscole quantità di liquidi, e le combina con la moderna microscopia e l'imaging per studiare i microecosistemi.
Test comportamentali per singoli microbi
La microfluidica ambientale può essere utilizzata per visualizzare il comportamento dei singoli microbi ad alta risoluzione e allo stesso tempo quantificare i processi metabolici. Questo apre nuove prospettive: "Possiamo non solo tracciare come le singole cellule si muovono e prendono decisioni, ma anche esaminare perché lo fanno", spiega l'ingegnere ambientale.
Un esempio è il test di preferenza chimica per i microbi, che i ricercatori dell'ETH hanno sviluppato appositamente per l'uso in oceano aperto. L'"In situ Chemotaxis Assay", o ISCA, consiste in un piatto di plastica delle dimensioni di una carta di credito con piccole camere all'interno, che sono collegate al mondo esterno tramite canali sottili - una sorta di trappola per aragoste in formato micro. I batteri che gradiscono l'"odore" di un attrattivo nella trappola ne seguono le tracce e vi nuotano.
La capacità dei batteri di nuotare verso o lontano da sostanze più concentrate è nota come chemiotassi. Fino a poco tempo fa, questo comportamento era noto solo attraverso esperimenti di laboratorio.
I microbi marini trovano il 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 molto apprezzato in pagina esternanatura Lo scorso aprile, i ricercatori sono riusciti a dimostrare che diversi tipi di batteri presenti nelle acque costiere al largo di Sydney utilizzano la chemiotassi per rilevare il fitoplancton, una microalga che assorbe la CO2 dall'acqua e producono sostanze organiche attraverso la fotosintesi. Alcune delle sostanze sintetizzate vengono rilasciate nell'acqua di mare dalle alghe e costituiscono il cibo preferito dai batteri: In un ambiente altrimenti povero di sostanze nutritive, 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 utilizzando la chemiotassi è stato sospettato per decenni, ma non è mai stato confermato in mare aperto. La scoperta è rilevante dal punto di vista ecologico: Quando i batteri mobili cercano specificamente il cibo, il loro tasso di successo aumenta in modo significativo. Ciò consente anche ai microbi rari di riunirsi in gran numero intorno a una fonte di cibo.
Le singole cellule viventi 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 tra i microrganismi del mare: il metabolismo collettivo di questa comunità microbica utilizza gli organi, ricicla la CO2 e quindi guidano il ciclo del carbonio nell'oceano.
La decomposizione della neve marina smorza la pompa del carbonio
Il fitoplancton è anche protagonista di un'altra importante interazione, in cui si riversa in profondità 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, per poi morire e sprofondare sul fondo del mare sotto forma di particelle organiche. In questo modo, la "pompa biologica del carbonio" trasporta continuamente il carbonio legato verso le profondità. Tuttavia, un processo opposto rallenta il flusso di carbonio: Quando i fiocchi di neve affondano, vengono colonizzati da innumerevoli batteri, che decompongono in gran parte gli organi e rilasciano CO2 produrre.
"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 di CO2 dall'atmosfera", spiega Stocker. Il suo team ha analizzato più da vicino la lotta microbica nel trasporto verso le profondità 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 test di laboratorio in acque prive di corrente. Una visione ad alta risoluzione della dinamica su microscala intorno alle scaglie che scorrono ha rivelato il motivo: la corrente di affondamento lava costantemente via i sottoprodotti del processo di decomposizione, che altrimenti rendono sempre più difficile il lavoro degli enzimi batterici.
"Per valutare meglio le conseguenze dei cambiamenti climatici sui processi ecologici chiave, ad esempio, è fondamentale sapere come le numerose specie delle comunità microbiche interagiscono tra loro."Roman Stocker
Questo riduce la quantità di carbonio che raggiunge il fondale marino. Sulla base di calcoli di modelli del flusso di carbonio, i ricercatori stimano che l'aumento della degradazione delle particelle riduca della metà l'efficienza teorica di trasporto della pompa di carbonio, 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 vogliono ora concentrarsi deliberatamente sui due micro-ecosistemi ecologicamente importanti che circondano il fitoplancton e le particelle di neve marina. In particolare, l'obiettivo è quello di condurre ricerche approfondite sulle interazioni tra batteri e alghe unicellulari e 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 dell'ETH, dell'Eawag e dell'EPFL. ? 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 per misurare ad alta risoluzione le sostanze scambiate dai microbi nelle comunità. Insieme, i ricercatori vogliono gettare un ponte dal comportamento delle singole cellule alla funzione ecologica degli oceani. Ciò include gli effetti delle comunità microbiche sul flusso di carbonio nell'oceano.
"Per valutare meglio le conseguenze dei cambiamenti climatici sui processi ecologici chiave, ad esempio, è fondamentale sapere come le numerose specie delle società microbiche interagiscono tra loro", afferma Stocker. In questo modo, lo studio delle cose più piccole può aiutarci a capire meglio il nostro mondo su scala più ampia.