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Struttura e organizzazione del genoma di organismi marini

Docenti e ricercatori di riferimento

Fabrizio GhiselliAndrea LuchettiMichael Tangherlini

L’evoluzione è un processo fondamentale che determina la biologia degli organismi viventi e di conseguenza le loro interazioni con l’ecosistema e le risposte ai cambiamenti ambientali. Questa linea di ricerca si occupa dello studio dell’evoluzione biologica a livello molecolare e genomico utilizzando un approccio comparativo. Principale oggetto di analisi è la struttura—intesa come organizzazione e contenuto—dei genomi di organismi marini, con focus particolare su caratteristiche come: espanisone e contrazione di famiglie geniche, evoluzione molecolare di sequenze codificanti, struttura e variabilità di tRNAs ed rRNAs, caratterizzazione di elementi trasponibili ed elementi ripetuti, interazioni fra genoma nucleare e mitocondriale. Lo studio di queste caratteristiche pone le basi per comprendere adattamenti, plasticità, resistenza/vulnerabilità ai cambiamenti ambientali di natura abiotica (es.: temperatura, pH, salinità, concentrazione di inquinanti), biotica (es.: patogeni, parassiti, predatori, competitori) o dovuti allo sfruttamento antropico. I dati genomici, opportunamente integrati con studi di fisiologia ed ecologia, possono quindi risultare determinanti per meglio comprendere la biologia degli organismi e guidare le scelte future nell’ambito dello sfruttamento sostenibile.

L’approccio comparativo risulta essere tanto più efficace quanto più estesa è la biodiversità investigata. Maggiore è il numero dei taxa presi in considerazione, più verosimili sono le predizioni formulate. L’utilizzo delle tecnologie di High-Throughput Sequencing consente di ottenere una considerevole mole di dati a costi sempre più limitati e risulta quindi essere uno strumento imprescindibile. Va tuttavia sottolineato che non è sufficiente generare “big data” per garantire il successo di un’attività di ricerca. Occorre prestare molta cura nello studio approfondito dei dati utilizzando strumenti di analisi propri e formando figure professionali in modo che acquisiscano le competenze necessarie. A tal proposito è in atto una stretta collaborazione con i Dottorati FishMed ed STVA di Unibo.

Nell’ambito degli organismi marini di particolare interesse per il Fano Marine Center, al momento gli afferenti a questa linea di ricerca si occupano dello studio di molluschi bivalvi (che a breve verrà esteso a cefalopodi e gasteropodi) e crostacei.

Grazie al continuo avanzamento nelle tecnologie di sequenziamento, e al corrispettivo abbattimento dei costi di produzione e analisi di questi dati, nell’ultimo decennio è stato possibile ottenere grandi quantitativi di informazioni riguardanti i genomi di molti organismi marini, dai batteri agli squali, sia in formato grezzo sia comprensivi di annotazioni. Questi dati possono essere di grande importanza scientifica in quanto forniscono le basi molecolari per la comprensione del fenotipo di un organismo, consentono di comprendere meglio i processi evolutivi che hanno guidato distribuzione, funzioni e ruolo di quegli organismi nell’ambiente in cui vivono e anche di capire in che modo essi possano reagire ai cambiamenti imposti dall’uomo sull’ambiente.

Gli approcci basati sul sequenziamento di genomi possono essere applicati sia su eucarioti (unicellulari come protisti e microalghe o metazoi come pesci e invertebrati) sia su procarioti (ad esempio batteri eterotrofi in grado di degradare la materia organica o autotrofi in grado di utilizzare CO2 per la produzione di biomassa) o virus, per studiarne tanto le risposte organismiche a stress, disturbi e alterazioni ecosistemiche quanto i processi evolutivi e i peculiari adattamenti che ogni entità biologica utilizza ed evolve per interagire con il proprio ambiente.

L’analisi comparativa di genomi di organismi marini, compresi quelli di organismi non modello, consente di analizzare la struttura, funzione ed evoluzione dei complessi sistemi regolatori che governano la sopravvivenza e il ruolo di ogni entità biologica all’interno degli ecosistemi marini. La complessità degli habitat marini fornisce una ricchezza di specie che non ha eguali con gli ambienti terrestri, la cui comprensione, anche a livello genomico, solo di recente ha ottenuto sufficiente attenzione – anche per i numerosi e comprensibili risvolti a livello biotecnologico offerti dalla possibilità di studiare metaboliti di rilevanza biomedica e industriale prodotti da organismi marini.