I batteri giganti delle mangrovie della Guadalupa che sfidano le teorie tradizionali (VIDEO)
Sono visibili ad occhio nudo, ma la microscopia rivela una complessità inaspettata
[24 Giugno 2022]
Lo studio “A centimeter-long bacterium with DNA contained in metabolically active, membrane-bound organelles”, pubblicato su Science da un team di ricercatori statunitensi e francesi, illustra la scoperta di un batterio gigante, visibile aad occhio nudo, che hale dimensioni e la forma di una ciglia umana e che è stato classificato come il più grande batterio finora conosciuto al mondo e al quale è stato dato il nome scientifico di Thiomargarita magnifica.
Al Joint Genome Institute (JGI) del Lawrence Berkeley National Laboratory, sottolineano che «A prima vista, le acque leggermente torbide nel tubo sembrano una pallina di acqua piovana, in un mix di foglie, detriti e fili ancora più leggeri. Ma nella capsula di Petri, i sottili fili simili a vermicelli che galleggiano delicatamente sopra i detriti fogliari si rivelano essere singole cellule batteriche, visibili ad occhio nudo. La dimensione insolita è notevole perché i batteri di solito non sono visibili senza l’assistenza del microscopio».
Come spiega il principale autore dello studio, Jean-Marie Volland, del JGI, del Department of Energy Usa (DOE) e del Laboratory for Research in Complex Systems (LRC). «E’ 5.000 volte più grande della maggior parte dei batteri. Per contestualizzare, sarebbe come un essere umano che incontra un altro essere umano alto come il Monte Everest».
Su Science il team di ricerca statunitense e francese descrive sia le caratteristiche morfologiche e genomiche di questo gigantesco batterio filamentos che il suo ciclo vitale e ricorda che «Per la maggior parte dei batteri, il loro DNA fluttua liberamente all’interno del citoplasma delle loro cellule. Questa specie di batteri scoperta di recente mantiene il suo DNA più organizzato». Volland aggiunge che «La grande sorpresa del progetto è stata rendersi conto che queste copie del genoma che sono sparse in tutta la cellula sono in realtà contenute all’interno di una struttura che ha una membrana. E questo è molto inaspettato per un batterio».
Il batterio è stato scoperto nel 2009 da Olivier Gros, professore di biologia marina all’Université des Antilles a Guadalupa, il cui lavoro si concentra sui sistemi di mangrovie marine. In realtà, Gros stava cercando simbionti ossidanti lo zolfo in sedimenti di mangrovie ricchi di zolfo, non lontani dal suo laboratorio. quando ha trovato per la prima volta i batteri e ora racconta: «Quando li ho visti, ho pensato, “strano”. All’inizio pensavo fosse solo qualcosa di curioso, dei filamenti bianchi che dovevano essere attaccati a qualcosa nel sedimento, come una foglia». Dopo aver portato quei filamenti in laboratorio e averli analizzati con la microscopia nei due anni successivi, Gros si è reso conto che «Si trattava di un procariote ossidante lo zolfo».
Per identificare e classificare il procariota, la co-prima autrice dello studio, Silvina Gonzalez-Rizzo, una biologa molecolare che insegna all’Université des Antilles, ha eseguito il sequenziamento del gene 16S rRNA e sottolinea; «Pensavo fossero eucarioti; Non pensavo fossero batteri perché erano così grandi con apparentemente molti filamenti. Ci siamo resi conto che erano unici perché sembravano una singola cellula. Il fatto che fossero un microbo “macro” era affascinante!». Gros conferma: «Ha capito che si trattava di un batterio appartenente al genere Thiomargarita. L’ha chiamato Candidatus Thiomargarita magnifica» e la Gonzalez-Rizzo spiega; «Magnifica perché magnus in latino significa grande e penso che sia stupendo come la parola francese magnifique. Questo tipo di scoperta apre nuove domande su morfotipi batterici che non sono mai stati studiati prima».
Volland è stato coinvolto nello studio del batterio gigante Thiomargarita quando è tornato al laboratorio Gros come borsista post-dottorato. Al JGI, Volland ha iniziato a studiare Ca. T. magnifica nel Single Cells Group di Tanja Woyke per capire meglio cosa faccia questo batterio che ossida lo zolfo e fissa il carbonio nelle mangrovie. E la Woyke, che dirige anche il Microbial Program del JGI ed è una delle atrici d senior dello studio, ricorda che «Le mangrovie e i loro microbiomi sono ecosistemi importanti per il ciclo del carbonio . Se si guarda allo spazio che occupano su scala globale, è meno dell’1% dell’area costiera mondiale. Ma quando si guarda allo stoccaggio del carbonio, si scopre che contribuiscono per il 10-15% al carbonio stoccato nei sedimenti costieri. Il team ha studiato questi grandi batteri alla luce delle loro potenziali interazioni con altri microrganismi. Abbiamo iniziato questo progetto sotto la spinta strategica delle interazioni inter-organismi della JGI, perché è stato dimostrato che i grandi batteri dello zolfo sono hot spot per i simbionti. Eppure il progetto ci ha portato in una direzione molto diversa».
Volland ha accettato la sfida di visualizzare queste cellule giganti in 3D e con un ingrandimento relativamente elevato. Ad esempio, utilizzando varie tecniche di microscopia, come la tomografia a raggi X, ha visualizzato interi filamenti lunghi fino a 9,66 mm e ha confermato che si trattava davvero di singole cellule giganti e non di filamenti multicellulari, come è comune in altri grandi batteri dello zolfo. E’ stato anche in grado di utilizzare le strutture di imaging disponibili al Berkeley Lab, come la microscopia a scansione laser confocale e la microscopia elettronica a trasmissione (TEM) per visualizzare i filamenti e le membrane cellulari in modo più dettagliato. Queste tecniche gli hanno permesso di osservare nuovi compartimenti legati alla membrana che contengono cluster di DNA. Ha chiamato questi organelli “pepins”. I cluster di DNA erano abbondanti nelle singole cellule.
Il team ha scoperto la complessità genomica della cellula. Come ha fatto notare Volland, «Questi batteri contengono tre volte più geni rispetto alla maggior parte dei batteri e centinaia di migliaia di copie del genoma (poliploidia) che si diffondono nell’intera cellula».
Poi il team JGI ha utilizzato la genomica a cellula singola per analizzare 5 delle cellule batteriche a livello molecolare, amplificando, sequenziando e assemblando i genomi. Parallelamente, il laboratorio di Gros ha utilizzato la tecnica di etichettatura BONCAT per identificare le aree coinvolte nelle attività di produzione delle proteine, il che ha confermato che «Tutte le cellule batteriche erano attive».
Per Shailesh Date, fondatore e CEO di LRC e uno degli autori senior dello studio, «Questo progetto è stata una bella opportunità per dimostrare come la complessità si è evoluta in alcuni degli organismi più semplici. Una delle cose che abbiamo sostenuto è che è necessario guardare e studiare la complessità biologica in modo molto più dettagliato di quanto si sta facendo attualmente. Quindi organismi che pensiamo siano molto, molto semplici potrebbero avere delle sorprese».
Sara Bender della Gordon and Betty Moore Foundation – che ha finanziato la LRC e Volland insieme alla John Templeton Foundation- ha detto che «Questa scoperta rivoluzionaria sottolinea l’importanza di sostenere progetti di ricerca fondamentali e creativi per migliorare la nostra comprensione del mondo naturale. Non vediamo l’ora di imparare come la caratterizzazione di Ca. Thiomargarita magnifica sfidi l’attuale paradigma di ciò che costituisce una cellula batterica e faccia avanzare la ricerca microbica».
Gli scienziati concorrdano sul fatto che la caratterizzazione di Ca. Thiomargarita magnifica abbia aperto la strada a molteplici nuove domande nel campo della ricerca e tra queste c’è il ruolo svolto dal batterio nell’ecosistema delle mangrovie. Volland spiega ancora: «Sappiamo che sta crescendo e prosperando in cima al sedimento dell’ecosistema di mangrovie nei Caraibi. In termini di metabolismo, fa la chemiosintesi, che è un processo analogo alla fotosintesi per le piante». Un’altra domanda rimasta ancora senza risposta è se i nuovi organelli pepins abbiano svolto un ruolo nell’evoluzione delle dimensioni estreme della Thiomargarita magnifica e se le pepin siano presenti o meno in altre specie batteriche. Resta da studiare anche l’esatta formazione delle pepin e il modo in cui si verificano e sono regolati i processi molecolari all’interno e all’esterno di queste strutture.
Gonzalez-Rizzo e Woyke vedono entrambi la coltivazione con successo dei batteri in laboratorio come un modo per ottenere alcune delle risposte: «Se riusciamo a mantenere questi batteri in un ambiente di laboratorio, possiamo utilizzare tecniche che non sono fattibili in questo momento».
Gros vuole scovare altri grandi batteri: «Si possono trovare alcune immagini TEM e vedere che aspetto hanno le pepin, quindi forse le persone li hanno visti ma non hanno capito cosa fossero. Sarà molto interessante verificare se le pepin sono già presenti ovunque».