Gli Archaea sono gli organismi predominanti nei sedimenti marini terrestri
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1 apr 2014
Uno studio pubblicato di recente sulla rivista Nature da un gruppo di ricerca dell’Università di Aarhus (Danimarca) e da altre istituzioni scientifiche statunitensi e tedesche
Gli Archaea sono gli organismi predominanti nei sedimenti marini terrestri
Marco Moracci
Istituto di Biochimica delle Proteine – CNR
Via P. Castellino 111, 80127 Naples, Italy
Uno studio pubblicato di recente sulla rivista Nature da un gruppo di ricerca dell’Università di Aarhus (Danimarca) e da altre istituzioni scientifiche statunitensi e tedesche, descrive l’isolamento di cellule archaeali intatte nei sedimenti marini nella Baia di Aarhus e l’identificazione, per sequenziamento genomico, di un nuovo Miscellaneous Crenarchaeotal Group (MCG) e di tre Marine Benthis Group-D (MBG-D) (Lloyd et al. 2013). Era già noto che questi due gruppi di organismi dominassero la comunità archaeale negli ecosistemi della subsuperfice dei fondali marini sull’intero pianeta. D’altra parte, in mancanza di ceppi isolati in grado di crescere in laboratorio, la fisiologia e la collocazione filogenetica di tali organismi era ancora incerta (Kubo et al. 2012). Nello studio pubblicato ora, invece, il sequenziamento dei geni dell’rRNA 16S e la ricostruzione parziale dei genomi (32-70%) di queste quattro cellule isolate ha permesso di chiarire parzialmente vari aspetti. La cellula MCG è stata collocata in una ramificazione profonda dell’albero filogenetico dei viventi tra i phyla archaeali Thaumarchaeota e Aigarchaeota, suggerendo che l’organismo sequenziato possa rappresentare un nuovo phylum negli Archaea. Invece, le tre cellule appartenenti a MBG-D fanno parte del gruppo Thermoplasmales nel phylum Euryarchaeota, costituendo, probabilmente, un nuovo ordine.
           La disponibilità di sequence genomiche delle cellule esaminate ha inoltre permesso un’analisi comparativa, rivelando, come strategia metabolica comune, la capacità di degradare proteine per la produzione di energia. Infatti, tutte e quattro le cellule contengono una vasta collezione di geni codificanti per putative cistein-proteasi extracellulari che, tipicamente, mostrano specificità per substrati contenenti D-amino acidi (come i peptidoglicani dalle pareti cellulari dei batteri) e sono attive alle condizioni tipiche dei sedimenti marini (ambienti riducenti a pH moderati ed elevate concentrazioni di calcio). Queste osservazioni suggeriscono un loro ruolo diretto nella degradazione di proteine da detriti biologici sedimentati nelle profondità marine. In passato era stato già osservato che gli Archaea dei sedimenti marini mostravano forme di metabolismo eterotrofo (Biddle et al. 2006), ma gli unici tipi documentati fino ad oggi riguardavano la produzione di metano a partire da substrati semplici a base di carbonio e la degradazione del metano stesso. Inoltre, era noto che i detriti proteici nei sedimenti marini, che provengono dal decadimento di batteri e spore, costituissero la componente maggiore della materia organica presente e che fossero lentamente degradati da microrganismi, ma, questi ultimi erano fin’ora ignoti. Lo studio di Lloyd e collaboratori ha il grande merito di trovare il collegamento tra queste osservazioni permettendo di definire meglio la natura dei microrganismi coinvolti nel ciclo del carbonio nei sedimenti marini.
           Questo studio rappresenta uno straordinario avanzamento nelle conoscenze sulle comunità dei viventi negli ambienti estremi ed ha interessanti implicazioni astrobiologiche. In primo luogo, l’approccio utilizzato, che ha accoppiato la tecnologia del cell-sorting attivato dalla fluorescenza al sequenziamento genomico, ha permesso di isolare singole cellule procariotiche ottenendo solidi dati metabolici e filogenetici senza il bisogno di ricorrere a complicate, e spesso infruttuose, tecniche di isolamento e crescita in laboratorio di ceppi microbici. La tecnologia descritta in questo lavoro potrebbe ispirare la messa a punto di nuove strumentazioni per future esplorazioni di corpi celesti remoti alla ricerca di tracce di forme di vita unicellulari. Inoltre, dal punto di vista dell’evoluzione della vita sulla Terra, lo studio delle comunità che vivono al di sotto della superfice del pianeta (i cosiddetti organismi intraterrestri) è una fonte di studio di estrema importanza per l’astrobiologia. Infatti, lo studio di Lloyd et al. ha ulteriormente spostato i limiti chimico-fisici noti degli ecosistemi terrestri, dimostrando che la vita può prosperare anche in aree intraterrestri superando le sfide poste dalla combinazione delle temperature estreme e delle limitazioni croniche di energia dal sole e dalle sostanze organiche. Ciò dimostra ancora una volta che lo studio sulla Terra di forme di vita estreme, con approcci che permettono la ricostruzione del loro metabolismo ed evoluzione a livello molecolare, è indispensabile per poter affrontare tale studio anche nei pianeti extraterrestri.
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Referenze bibliografiche
Biddle JF, Lipp JS, Lever MA, Lloyd KG, Sørensen KB, Anderson R, Fredricks HF, Elvert M, Kelly TJ, Schrag DP, Sogin ML, Brenchley JE, Teske A, House CH, Hinrichs KU. Heterotrophic Archaea dominate sedimentary subsurface ecosystems off Peru. Proc Natl Acad Sci U S A. (2006), 103, 3846-51. doi: 10.1073/pnas.0600035103
Kubo K, Lloyd KG, F Biddle J, Amann R, Teske A, Knittel K. Archaea of the Miscellaneous Crenarchaeotal Group are abundant, diverse and widespread in marine sediments. ISME J. (2012), 6, 1949-65. doi: 10.1038/ismej.2012.37.
Lloyd KG, Schreiber L, Petersen DG, Kjeldsen KU, Lever MA, Steen AD, Stepanauskas R, Richter M, Kleindienst S, Lenk S, Schramm A, Jørgensen BB. Predominant archaea in marine sediments
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Archaea are predominant in intraterrestrial marine sediments
by Marco Moracci
Institute of Protein Biochemistry - CNR
Via P. Castellino 111, 80127 Naples, Italy
A study recently published on Nature from a scientific team from Aarhus University (Denmark) and other research centers from USA and Germany, describes the isolation of intact cells of Archaea in a marine sediment in Aarhus Bay, and the identification, by genomic sequencing, of a novel Miscellaneous Crenarchaeotal Group (MCG) and three Marine Benthis Group-D (MBG-D) (Lloyd et al. 2013). It was already known that these two groups of organisms dominate the Archaea community in marine subsurface ecosystems globally on Earth but, lacking cultured representatives, their physiology and placement on the tree of life was uncertain (Kubo et al. 2012). In this study, the sequencing of the 16S rRNA genes and of the partial reconstruction (32-70%) of genomes of these four archaeal single cells allowed to shed some light. MCG cell was placed on a deep branch within the phyla Thaumarchaeota and Aigarchaeota, opening the p   ossibility that they represent a new phylum in the Archaea domain. Instead, the three MBG-D cells were located inside the group Thermoplasmales in the phylum Euryarchaeota, maybe representing a new order.
           The partially available genomic sequences allowed also a comparative analysis of the four genomes revealing a remarkable common metabolic strategy addressed to the breakdown of proteins for energy generation. In fact, all fours single cells contained a large survey of predicted extracellular cysteine proteases whose specificity for D-amino acid-containing substrates (abundant in peptidoglycans from bacterial cell walls)) and activity in conditions commonly found in marine sediments (reducing environment, moderate pH, and high calcium concentrations) suggest a direct role in the degradation of detrital proteins. Evidences of heterotrophic metabolism by sedimentary Archaea were documented earlier (Biddle et al. 2006), but the only metabolisms known so far in were methane production from simple carbon substrates and methane consuptions. In addition, detrital proteins in marine sediments, released by the decay of bacteria and their spores, are the largest components of marine organic matter and were known to be slowly degraded by unidentified microbes. The work by Lloyd and collaborators has the great merit of finding a link between these observations, finally defining better the nature of the microorganisms involved in the marine sedimentary carbon cycle.
           This study is a breakthrough is the characterization of the living communities in extreme environments and it has interesting implications also for astrobiology. Firstly, the technologies of fluorescence-activated cell sorting coupled to powerful deep sequencing used here allowed isolating single prokaryotic cells and obtaining solid metabolic and phylogenetic data with no need of challenging microbial cultivations. This technology might inspire the setting of the instrumentions for future exploration of remote planets in search of living forms. In addition, in terms of the evolution of life on Earth, the study of the microbial communities living deep below our planet's surface (intraterrestrial organisms) is a source of knowledge of immeasurable value for astrobiology. In fact, the study by Lloyd et al. moved further the physico-chemical borders of ecosystems, demonstrating that life can fluorish also in intraterrestrial areas facing the combination of extreme temperatures and chronic limitations in chemical and sunlight-derived energy. This demonstrates that, once again, the study on Earth of forms of life in extreme conditions, with tools that allow to reconstruct their metabolism and evolution at molecular level, is mandatory to correctly address this issue on exo-planets.
References
Biddle JF, Lipp JS, Lever MA, Lloyd KG, Sørensen KB, Anderson R, Fredricks HF, Elvert M, Kelly TJ, Schrag DP, Sogin ML, Brenchley JE, Teske A, House CH, Hinrichs KU. Heterotrophic Archaea dominate sedimentary subsurface ecosystems off Peru. Proc Natl Acad Sci U S A. (2006), 103, 3846-51. doi: 10.1073/pnas.0600035103
Kubo K, Lloyd KG, F Biddle J, Amann R, Teske A, Knittel K. Archaea of the Miscellaneous Crenarchaeotal Group are abundant, diverse and widespread in marine sediments. ISME J. (2012), 6, 1949-65. doi: 10.1038/ismej.2012.37.
Lloyd KG, Schreiber L, Petersen DG, Kjeldsen KU, Lever MA, Steen AD, Stepanauskas R, Richter M, Kleindienst S, Lenk S, Schramm A, Jørgensen BB. Predominant archaea in marine sediments degrade detrital proteins. Nature. (2013), 496, 215-8. doi: 10.1038/nature12033