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Isolamento e valorizzazione industriale di organismi e microorganismi marini

Docenti e ricercatori di riferimento

Marco Candela  - Laura Pezzolesi - Rossella Pistocchi - Mara Simonazzi - Giulio Zanaroli

Gli oceani ricoprono oltre due terzi della superficie terrestre, e rappresentano l’ecosistema più esteso del pianeta. La vita nel mare è dominata da microrganismi unicellulari (tra cui batteri, archaea e microbi eucarioti) che rappresentano la frazione più rilevante di biomassa e di biodiversità, e svolgono un ruolo essenziale nel funzionamento dell'ecosistema, nelle reti trofiche e nei cicli biogeochimici planetari. Questa maggioranza invisibile (Whitman et al., 1998) è fonte di una enorme diversità biologica, che si riflette in un’analoga immensa diversità di composti bioattivi e metaboliti secondari con potenziali applicazioni nelle biotecnologie. I microrganismi marini si sono evoluti infatti nell’oceano sviluppando adattamenti in grado di farli sopravvivere nell’ambiente circostante, tramite meccanismi di sopravvivenza, strategie di crescita ed adattamenti genetici che consentono loro di vivere in ambienti ostili, ad esempio nelle profondità degli oceani caratterizzate da elevatissime pressioni, temperature prossime allo zero ed assenza di luce.

La capacità dei microbi marini di adattarsi all’ambiente circostante così come ai suoi cambiamenti, abbinate all’elevato grado di plasticità genetica, hanno influenzato la loro abilità nel produrre composti e metaboliti secondari. Il mondo microbico rappresenta quindi una importante opportunità per il bioprospecting, anche in virtù dei vantaggi associati alle biotecnologie microbiche. Ad esempio, al contrario dei macro-organismi che devono essere raccolti dal mare per ottenere quantità sufficienti del metabolita, i microrganismi possono essere coltivati in laboratorio in grandi quantità, il che rende le biotecnologie microbiche più sostenibili rispetto a quelle basate sull’estrazione di molecole bioattive da macro-organismi marini.

Photo Credits: Luna Gian Marco IRBIM CNR

Il microbioma degli olobionti e lo stress antropico: cambiamenti adattativi e maladattativi

Gli organismi marini vivono in associazione con comunità microbiche complesse, che includono virus, batteri e funghi, note come microbiomi. I microbiomi degli olobionti marini (che sono definiti come organismo ospite più la comunità microbica associata) si sono co-evoluti come partner adattativi forti, in grado di fornire all’ospite ulteriori mezzi di plasticità fenotipica. Le proprietà intrinseche del microbioma possono essere sfruttate per combattere l’inquinamento e i cambiamenti climatici. Molti fattori antropici, come l’inquinamento, il surriscaldamento delle acque e la loro acidificazione, possono indurre variazioni rapide e adattative (o maladattative) nelle comunità microbiche degli olobionti. Tali variazioni possono, quindi, essere sfruttate sia come proxy del cambiamento climatico, che come risorse funzionali per la sua mitigazione e bioremediation.

Diversamente dal loro ospite, la risposta adattativa dei microbiomi è incredibilmente veloce. Potenzialmente, essa potrebbe avvenire in una scala temporale di giorni-anni. Tali cambiamenti nella risposta adattativa dei microbiomi sono la combinazione di diversi meccanismi, come il cambiamento delle abbondanze relative dei membri della comunità microbica, l’acquisizione orizzontale di nuovi microorganismi e il trasferimento genico orizzontale. Il nostro obiettivo è quello di sfruttare queste proprietà intrinseche dei microbiomi non solo come proxy per gli stress ambientali e l’inquinamento, ma anche come risorsa funzionale per mitigare i loro effetti sugli ecosistemi e per la bioremediation di siti marini contaminati. Infatti, il microbioma degli olobionti, dotato di un repertorio di funzioni complesso e altamente adattativo, e solo parzialmente esplorato, ha un enorme potenziale di sfruttamento per il bioprospecting e per l’implementazione di approcci di bioremediation innovativi, che possano beneficiare del ruolo intrinseco degli olobionti come ingegneri degli ecosistemi e, in parallelo, dello loro potenziale di disseminazione di microrganismi nell’acqua circostante.

Grazie all’applicazione della tecnica shotgun applicata alla metagenomica, noi studiamo le variazioni dei microbiomi in olobionti marini che vivono in diverse condizioni ambientali, ciascuna per un’applicazione specifica. In particolare, la risposta adattativa dei microbiomi al surriscaldamento e all’acidificazione delle acque è utilizzata per esplorare se e in che modo il microbioma degli olobionti possa essere sfruttato per mitigare l’impatto dei cambiamenti climatici sugli ecosistemi marini.

Allo stesso modo, la risposta del microbioma degli olobionti all’inquinamento delle acque viene esplorata come potenziale risorsa per supportare la resilienza degli ecosistemi per processi di bioremediation efficaci e dipendenti dall’olobionte. In particolare, in quest’ultimo caso, possono essere sviluppati due approcci. Il primo coinvolge il trapianto di olobionti adattati all’ecosistema inquinato nel sito contaminato, mentre il secondo si basa su una modulazione mirata in situ del microbioma degli olobionti a favore di una configurazione in grado di degradare gli agenti inquinanti.