Laboratorio di Enzimologia degli Estremofili e Glicobiologia

Laboratorio di Enzimologia degli Estremofili e Glicobiologia,  Dipartimento di Biologia, Università degli Studi di Napoli ‘Federico II’, Napoli

Referente: Marco Moracci

Il gruppo occupa due laboratori presso il Dipartimento di Biologia dell’Università degli Studi di Napoli ‘Federico II’ e costituiscono una Unità di Ricerca presso Terzi (URT) dell’IBBR-CNR.

Progetti scientifici:

Il nostro gruppo partecipa al progetto “Vita nello Spazio: origine, presenza, persistenza della vita nello spazio, dalle molecole agli estremofili”, finanziato dall’Agenzia Spaziale Italiana (2018-2023). Nell’ambito di questo progetto il laboratorio è Responsabile dell’Unità “Biodiversità e limiti della vita di comunità microbiche che colonizzano ambienti solfatarici estremi”. La ricerca di tracce di vita nell’universo non ha, al momento, prodotto risultati; la Terra è l’unico laboratorio naturale per studiare la vita, comprenderne l’origine ed i meccanismi di evoluzione ed adattamento. L’ambiente terrestre primordiale, popolato da sola vita unicellulare, era caratterizzato da temperature elevate per i frequenti bombardamenti di meteoriti e comete e intensa attività vulcanica. Pertanto, gli ambienti idrotermali terrestri, caratterizzati da T>70°C e pH estremi, sono riconosciuti come analoghi di ambienti extraterrestri, come il fondo degli oceani di Europa ed Encelado che mostrano emissioni idrotermali superficiali, in grado di ospitare viventi. In questo progetto intendiamo produrre una mappa metagenomica di un un ambiente solfatarico estremo per conoscerne la biodiversità, ed identificare molecole come biosignatures di viventi in ambienti estremi. Le ricadute astrobiologiche riguardano l’utilizzo dei risultati per identificare nuovi limiti della vita e tracce di viventi in ambienti simili nello spazio.

Il gruppo ha coordinato i progetti “Esplorazione della diversità microbica in ambienti solfatarici ad alta temperatura ed identificazione delle comunità microbiche e dei loro enzimi” finanziato da Novozymes (2017-2019) e "Esobiologia e ambienti estremi: dalla Chimica delle Molecole alla Biologia degli Estremofili (ECMB)", Finanziato dall’Agenzia Spaziale Italiana (2014-2016).

Questi progetti hanno permesso di identificare con tecniche di metagenomica i microorganismi che popolano ambienti a T>70°C e pH estremi terrestri e marini, e di isolare enzimi iperstabili per applicazioni biotecnologiche aumentando le nostre conoscenze sui microbiomi degli estremofili e sui limiti fisici da loro richiesti per crescere ed evolversi.

ECMB ha affrontato il problema dei meccanismi alla base dell’origine della vita e della sua evoluzione in ambienti estremi sviluppando tre aree tematiche alla base della ricerca astrobiologica: le reazioni di chimica prebiotica, l’adattamento/evoluzione dei microorganismi estremofili e lo sviluppo tecnologico di strumenti per lo svolgimento di esperimenti di astrobiologia. Alla sua conclusione il progetto ha prodotto deliverables concreti sotto forma di pubblicazioni ed un prototipo per esperimenti di coltivazione di microorganismi in un ambiente solfatarico estremo. Infine, sono stati scoperti nuovi enzimi e nuovi meccanismi di espressione genica in estremofili, è stata analizzata la variazione stagionale del microbioma di un ambiente solfatarico estremo, sono state identificate nuove sintesi prebiotiche di amminoacidi, peptidi, acidi carbossilici e materiale (pre)genetico caratterizzando i catalizzatori minerali non-terrestri e realizzando strutture pre-cellulari.

La ricaduta astrobiologica di questi studi riguarda come la vita può originarsi in ambienti estremi sul nostro pianeta e quali possano essere le condizioni da ricercare nello spazio che risultino più favorevoli alla presenza di vita presente o estinta.

Our group participates in the project "Life in Space: origin, presence, persistence of life in space, from molecules to extremophiles", funded by the Italian Space Agency (2018-2023). As part of this project, the laboratory is responsible for the Unit "Biodiversity and life limits of microbial communities that colonize extreme sulphate environments". The search for traces of life in the universe has not, at the moment, produced results; the Earth is the only natural laboratory for studying life, understanding its origin and the mechanisms of evolution and adaptation. The primordial terrestrial environment, populated only by unicellular life, was characterized by high temperatures due to the frequent bombardments of meteorites and comets and intense volcanic activity. Therefore, terrestrial hydrothermal environments, characterized by extreme temperature T>70°C and pH, are recognized as analogues of extraterrestrial environments, such as the bottom of the oceans of Europa and Enceladus, which show surface hydrothermal emissions, capable of hosting living beings. In this project we intend to produce a metagenomic map of an extreme sulphate environment to understand its biodiversity, and to identify molecules as biosignatures of living organisms in extreme environments. The astrobiological effects concern the use of the results to identify new limits of life and traces of living beings in similar environments in space.

The group coordinated the projects "Exploration of microbial diversity in high temperature sulphate environments and identification of microbial communities and their enzymes" funded by Novozymes (2017-2019) and "Exobiology and extreme environments: from the Chemistry of Molecules to the Biology of Extremophiles (ECMB)", Funded by the Italian Space Agency (2014-2016).

These projects have allowed us to identify with metagenomic techniques the microorganisms that inhabit environments at T>70°C and extreme terrestrial and marine pH, and to isolate hyperstable enzymes for biotechnological applications, increasing our knowledge on the microbiomes of extremophiles and their physical limits required to grow and evolve.

ECMB has tackled the problem of the mechanisms underlying the origin of life and its evolution in extreme environments by developing three thematic areas at the basis of astrobiological research: prebiotic chemistry reactions, the adaptation/evolution of extremophile microorganisms and the technological development of tools for carrying out astrobiology experiments. At its conclusion, the project produced concrete deliverables in the form of publications and a prototype for microorganism cultivation experiments in an extreme sulphate environment. Finally, new enzymes and new mechanisms of gene expression in extremophiles have been discovered, the seasonal variation of the microbiome of an extreme sulphate environment has been analyzed, new prebiotic syntheses of amino acids, peptides, carboxylic acids and (pre)genetic material have been identified by characterizing non-terrestrial mineral catalysts and making pre-cellular structures.

The astrobiological fallout of these studies concerns how life can originate in extreme environments on our planet and which conditions to look for in space that are more favorable to the presence of present or extinct life could be.