I batteri sono tutti intorno a noi-e va bene

Victoria Orphan ha amato l’oceano per tutto il tempo che può ricordare. Aveva l’abitudine di fare snorkeling nell’Oceano Pacifico vicino alla casa della sua famiglia a San Diego, in California. Prendeva la maschera e il tubo per fare snorkeling per visitare il mondo nascosto di piante e animali sotto la superficie dell’oceano. Orphan è andato al college presso l’Università della California, Santa Barbara nei primi anni 1990. Lì ha scoperto qualcosa che ha cambiato il suo modo di pensare gli oceani — e la vita sulla Terra.

Un altro studente le mostrò una piccola fiala di acqua di mare. Orphan non pensava che fosse così interessante. Era semplicemente acqua vecchia. Poi l’altro studente ha aggiunto una sostanza chimica fluorescente all’acqua e ha brillato di luce ultravioletta su di essa. Il tubo si illuminò mentre milioni di minuscoli batteri cominciarono a brillare. Pochi istanti prima, i microbi erano stati invisibili. ” Questi minuscoli organismi erano dappertutto”, dice Orphan, ” eppure non riuscivamo a vederli. Non sapevamo quasi nulla di loro.”

Ora trascorre le sue giornate esplorando questo mondo unicellulare nascosto. Come geobiologo al Caltech di Pasadena, California., studia come batteri e altra forma di vita microscopica il mare profondo.

I batteri svolgono un ruolo centrale in molti ecosistemi. Questi includono gli oceani, il suolo e l’atmosfera. Sono anche una grande parte della rete alimentare globale. I batteri rendono possibile l’esistenza di tutte le altre forme di vita sulla Terra. Ecco perché gli scienziati dicono che questi organismi unicellulari sono la spina dorsale invisibile di tutta la vita, almeno sulla Terra.

Eppure c’è molto che non sappiamo su di loro. Gli scienziati pensano di aver identificato meno dell’uno per cento di tutte le specie batteriche. Questo ha spinto Orphan e altri ad esplorare i misteri del loro mondo unicellulare. Sospettano che i batteri si dimostreranno la chiave per comprendere e proteggere le più importanti risorse naturali della Terra.

I mangiatori di metano

Alcuni batteri mangiano cose davvero strane. Gli scienziati hanno trovato batteri che mangiano rocce, acque reflue, persino scorie nucleari. Orphan studia un tipo di batteri che vivono sul fondo del mare e divorano il metano.

Il metano è un gas serra. Come l’anidride carbonica e alcuni altri gas serra, entra nell’aria quando le persone bruciano petrolio, gas e carbone. Ci sono anche fonti naturali di metano, come il gas naturale, la produzione di riso e il letame di mucca. I gas serra intrappolano il calore nell’atmosfera. Un eccesso di questi gas nell’atmosfera terrestre ha riscaldato il clima globale.

Il metano può fuoriuscire dalla Terra sul fondo del mare. Alcuni scienziati dicono che ancora più metano sfuggirebbe nell’atmosfera se non fosse per i batteri marini. Alcuni di questi batteri mangiano metano. Ciò consente agli oceani di intrappolare un’enorme quantità di gas. “Questi microrganismi sono i guardiani. Impediscono al metano oceanico di entrare nell’atmosfera dove può cambiare i livelli di gas serra”, spiega Orphan.

Trovare organismi unicellulari sul vasto fondale marino può essere una sfida. Attraverso la finestra di un sottomarino, cerca grappoli di vongole e vermi giganti. Questi organismi segnalano che anche i batteri marini invisibili vivono lì. Ovunque questi mangiatori di metano vivono, creano nuove molecole mentre cenano. Altri organismi usano queste nuove molecole come cibo. Un’intera rete alimentare sorge sul fondo dell’oceano.

Orphan e il suo team hanno trovato batteri che mangiano metano lungo le fessure sul fondo del mare, dove questo gas sta filtrando. Queste crepe si verificano spesso dove due placche tettoniche si scontrano l’una con l’altra.

Alcuni batteri, hanno imparato, possono mangiare metano solo collaborando con altri organismi unicellulari chiamati archaea (Ar-KEE-uh). Questo dettaglio importante potrebbe aiutare gli scienziati a prevedere meglio quanto metano sta sfuggendo nell’aria, dice Orphan.

Nelle trincee

I mangiatori di metano non sono gli unici batteri d’altura che interessano gli scienziati. ” Il mare profondo è la patria di alcuni microbi piuttosto fresco, ” dice Jennifer Biddle. E ‘una microbiologa marina all’Universita’ del Delaware a Newark. Biddle studia i batteri che vivono in trincee oceaniche profonde.

Questi canyon sottomarini sono alcuni dei luoghi meno studiati sulla Terra. Sono incredibilmente difficili da raggiungere. Challenger Deep vince il record per il punto più profondo conosciuto del pianeta. In fondo alla Fossa delle Marianne, nel Pacifico occidentale, Challenger Deep si trova a circa 11 chilometri (più di 7 miglia) sotto la superficie dell’oceano. Se il Monte Everest, la montagna più alta del mondo, sedesse nella Fossa delle Marianne, il suo picco sarebbe ancora più di un miglio sotto le onde.

La Fossa delle Marianne è uno dei luoghi più difficili per la vita per sopravvivere. La luce solare zero lo raggiunge. Le sue temperature sono gelide. Animali di grandi dimensioni, come balene o pesci, non possono visitare perché le intense pressioni li schiaccerebbero. Piccola sorpresa, quindi, che la maggior parte dei locali sono microscopici. Hanno adattato le sue condizioni estreme.

Biddle e altri scienziati hanno collaborato con gli esploratori degli oceani profondi per inviare un sottomarino a Challenger Deep. James Cameron ha pilotato la nave. (È il regista famoso per Avatar e Titanic. Cameron ha visitato il fondo di Challenger Deep nel marzo 2012 mentre realizzava un documentario chiamato Deepsea Challenge 3D. Ma il trek del sub non era solo per ottenere video affascinanti per il Grande schermo. La nave ha anche riportato sedimenti dal fondo della trincea.

Biddle e gli altri scienziati hanno esaminato quel sedimento per il DNA. Stavano esplorando geni di batteri familiari. Hanno trovato prove di alcuni noti come Parcubatteri.

Gli scienziati non sapevano nemmeno che questo grande gruppo di batteri esistesse fino al 2011. Allora, hanno trovato alcuni nelle acque sotterranee e sporcizia da alcuni luoghi sulla terra. Ma il gruppo di Biddle ora ha mostrato che sopravvive anche in una delle profondità più inaccessibili dell’oceano.

Qui, sul pavimento della trincea, i microbi respiravano azoto, non ossigeno (come facevano a terra). E questo ha senso. Si erano adattati all’azoto poiché la loro casa aveva poco accesso all’ossigeno.

Più posti troviamo tali batteri poco conosciuti, dice Biddle, più possiamo imparare su ciò che fanno per i loro ecosistemi.

La storia continua sotto il video.

Dal pane ai biocarburanti

Anche i batteri nelle nostre cucine e cumuli di compost interessano gli scienziati.

Pane a lievitazione naturale ottiene il suo sapore aspro unico quando un mix di batteri sgranocchi sugli zuccheri nella farina di pane. Questi batteri producono anidride carbonica, acidi e altri composti saporiti. Ma per funzionare, i batteri della pasta madre hanno bisogno dei loro amici. Isolare solo una specie batterica dal mix e la reazione chimica non accadrà. Niente lievito madre.

Il microbiologo Steve Singer vive vicino a San Francisco, una città della California famosa per il pane a lievitazione naturale. Lavora per il Dipartimento di Energia al Lawrence Berkeley National Laboratory. E sospettava di poter usare le lezioni di pasta madre per produrre biocarburanti migliori. Questi combustibili vegetali possono alimentare auto o camion. Sono considerati “verdi”, ovvero più rispettosi della Terra, rispetto ai combustibili fossili.

Per produrre biocarburanti, gli scienziati devono abbattere le piante in zuccheri. Questi zuccheri possono quindi essere trasformati in combustibili come l’etanolo (un tipo di alcol). Le reazioni chimiche che abbattono le piante richiedono l’aiuto degli enzimi. Queste sono molecole che iniziano o accelerano le reazioni chimiche.

Gli enzimi attualmente utilizzati per produrre biocarburanti sono costosi. Inoltre non funzionano bene, Singer dice. Ecco perché i ricercatori di tutto il mondo sono alla ricerca di enzimi che potrebbero ridurre i costi e accelerare la produzione di biocarburanti.

Ha girato la sua ricerca per loro al cumulo di compost. Lì, le comunità batteriche erano al lavoro per abbattere frutta e verdura in decomposizione.

Singer ha portato un piccolo campione del compost nel suo laboratorio. Lì, ha lasciato che i batteri del compost crescessero in un becher. Più tardi, ha raccolto gli enzimi che questi batteri hanno fatto e li ha testati su altri pezzi di piante. Ha funzionato: gli enzimi hanno scomposto le piante in zuccheri.

Proprio come i batteri della pasta madre hanno bisogno dei loro amici per funzionare, Singer ha scoperto che questi microbi producevano gli enzimi utili solo quando facevano parte di comunità robuste di diversi batteri del compost. Singer sta ora scalando il suo progetto. La sua squadra sta crescendo batteri in enormi tini chiamati bioreattori. Dopo aver fatto molti dei nuovi enzimi, può verificare se funzionano meglio di quelli esistenti per convertire i rifiuti delle piante in combustibili.

“Prendere qualcosa dall’ambiente e cercare di capire come funziona è una delle parti migliori dell’essere un microbiologo”, afferma Singer.

Meta microbi

Singer sta studiando i suoi nuovi enzimi senza sapere quali batteri li stanno facendo. Questo non è poi così insolito. I batteri sono invisibili ad occhio nudo. Anche con un microscopio, distinguere due specie può essere difficile. Non sembrano così diversi come potrebbero due specie di uccelli o fiori.

Gli scienziati avevano bisogno di un modo diverso per distinguere i batteri e sapere quando si sono imbattuti in nuovi. Chiave di questo investigatore: DNA.

Tutti gli organismi perdono un po ‘ di DNA in tutto il loro ambiente. “È come un’impronta digitale. Ognuno è unico”, spiega Kelly Ramirez. Studia i batteri presso l’Istituto olandese di Ecologia di Wageningen.

Tampona il bancone della cucina e potresti trovare DNA umano (da te e dai tuoi genitori). Potrebbe esserci del DNA vegetale (dalle verdure che hai appena tagliato) e da un fungo o due. Ci potrebbe anche essere qualche cane o gatto DNA se si dispone di un animale domestico. Avrai anche un sacco di DNA batterico perché, beh, i batteri un ovunque!

Tutti i bit genetici cast-off sono noti come DNA ambientale, o eDNA.

Gli scienziati possono utilizzare queste impronte genetiche per scoprire nuovi batteri, osserva Ramirez. Hanno solo bisogno di portare un po ‘ di sporco o acqua di mare o compost in un laboratorio e controllare cosa c’è dentro.

La somma di tutto il materiale genetico in un ambiente è chiamata metagenoma (MET-uh-GEE-noam). Pensala come una zuppa di DNA. Tutte le molecole utilizzate per costruire i geni di diversi organismi sono mescolate insieme.

Gli scienziati usano i computer per districare il disordine.

Come un setaccio, i programmi per computer filtrano la zuppa. Cercano modelli familiari noti come sequenze genetiche. Formano l’impronta del DNA di un organismo. Se gli scienziati trovano un’impronta digitale che non riconoscono, potrebbe essere perché proviene da alcune nuove specie.

Gli scienziati possono confrontare questi modelli con le impronte digitali di batteri familiari per vedere dove i nuovi batteri rientrano nell’albero della vita. ” Ora possiamo scoprire nuovi microbi senza mai vederli”, spiega Biddle dell’Università del Delaware.

L’arto batterico dell’albero della vita sta germogliando nuovi germogli e rami più velocemente che in qualsiasi momento della storia. Trent’anni fa, tutti gli organismi unicellulari conosciuti sul pianeta si inseriscono in una dozzina di gruppi principali. Ora ci sono circa 120 gruppi noti, o phyla (FY-lah). E il numero di batteri nominati in ogni gruppo cresce ogni giorno.

Little life, big data

Cosa ottieni sommando le sequenze di DNA di milioni di nuovi batteri? Un sacco di dati.

Si può pensare al pianeta come una macchina, e tutti gli ecosistemi sulla Terra come parti della macchina, dice Jack Gilbert. Tutti questi dati sul DNA batterico sono fondamentali per ” comprendere le parti che compongono la macchina e come funzionano tutte insieme”, afferma. Gilbert è un microbiologo presso Argonne National Laboratory vicino a Chicago, Ill.

Il suo team sta cercando di organizzare quei dati in un catalogo virtuale di tutti i batteri sulla Terra. Si chiama Progetto Microbioma Terrestre. Più di 1.000 scienziati in tutto il mondo stanno aiutando a raccogliere campioni. Stanno cercando in una miriade di ambienti diversi, quindi li stanno testando per il DNA batterico.

Finora i ricercatori hanno raccolto 100.000 campioni. Hanno catalogato i batteri dell’oceano piu ‘ profondo. Hanno trovato batteri sulla Stazione Spaziale Internazionale, a circa 350 chilometri (220 miglia) sopra la Terra. Hanno scoperto batteri in luoghi esotici come la foresta amazzonica e luoghi ordinari come i bagni pubblici.

Scoprire quali batteri si nascondono lì — e perché-è il primo passo per capire come diversi ecosistemi guidano la vasta macchina che pensiamo come vita sulla Terra. Conoscere i batteri può aiutarci a rispondere a domande su come funziona il nostro pianeta, dice Gilbert. I batteri possono spiegare perché le barriere coralline nell’oceano pullulano di vita. Oppure potrebbero spiegare perché i terreni della prateria nordamericana sono così buoni per piantare colture.

Ecco perché questa ricerca è così importante, dice: “Questa è la conoscenza che può aiutarci a prenderci più cura del pianeta.”