La guerra tra virus e batteri si combatte nelle profondità oceaniche

Un mondo alieno dove un esercito invisibile è in perenne battaglia

[5 maggio 2014]

Un team di scienziati americani delle università del Michigan e del Minnesota e della Woods Hole Oceanographic Institution ha scoperto come i virus catturino i batteri nei camini idrotermali, le “fumarole nere”, dove le temperature raggiungono i 400 gradi centigradi.

Nella ricerca“Sulfur Oxidation Genes in Diverse Deep-Sea Viruses”, pubblicata su Science, gli scienziati spiegano cosa succede a più di 1 chilometro e mezzo sotto la superficie dell’Oceano, dove nubi scure di acqua ricca di minerali fuoriescono dal fondale sotto forma di fonti idrotermali, un mondo alieno dove un esercito invisibile di virus e batteri è in guerra perenne.

I ricercatori dell’università del Michigan dicono che «come pirati che abbordano una nave carica di tesori, i virus infettano le cellule dei batteri per catturare il bottino: piccoli globuli di zolfo elementare immagazzinato dentro le cellule batteriche.  Invece di scappare con la loro preda, i  virus costringono i batteri a bruciarele riserve di zolfo e quindi utilizzano l’energia liberata per replicarsi riempiendo, eventualmente, la cellula del batterio  d fino al punto di rottura».

Gregory J. Dick, del Center for Computational Medicine and Bioinformatics dell’università del Michigan, ha guidato il  team che ha raccolto il DNA dei microbi delle profondità marine nei campioni di acqua idrotermale prelevati nell’Oceano Pacifico occidentale e nel Golfo della California,  e sottolinea che «le nostre conclusioni indicano che i virus nelle oscurità degli oceani accedono indirettamente a vaste fonti di energia, sotto forma di zolfo elementare».

I virus  sono  tra i protagonisti di ecosistemi prosperi, che includono vermi “alieni” che vivono in “tubi” lunghi 1,8 metri, cozze, vongole e gamberi giganti che si aggregano intorno ai  camini idrotermali sottomarini. Dick evidenzia che «i virus si comportano come agenti dell’evoluzione nei sistemi chemiosintetici , scambiando geni con i batteri. Suggeriamo l’idea che i virus servano come deposito di riserva per la diversità genetica che aiuta a definire l’evoluzione dei batteri».

Il principale autore dello studio, Karthik Anantharaman, uno studente di dottorato nel laboratorio di Dick al dipartimento di Scienze ambientali e della terra dell’università del Michigan, spiega a sua volta che «sono state osservate interazioni microbiche similari nelle acque poco profonde dell’oceano tra batteri fotosintetici ed i virus che sono i loro predatori. Però questa è la prima volta che si è vista una tale relazione in un sistema chemiosintetico, cioè nel quale i microbi dipendono esclusivamente da composti inorganici, al posto della luce del sole, come fonte di energia».

Dick e il suo team hanno raccolto i campioni di acqua durante la crociera scientifica organizzata dall’ Eastern Lau Spreading Center nel Pacífico occidentale e nel Guaymas Basin  del Golfo di California. Un sottomarino senza equipaggio della Woods Hole Oceanographic Institution  ha raccolto i campioni ad una profondità di oltre 1.890 metri intorno ai “black smokers” che eruttano acqua ricca di  minerali e a temperature superiori a 260 gradi Celsius. Poi, in laboratorio, i ricercatori hanno ricostruito quasi totalmente i genomi di virus e batteri a partire da frammenti di DNA raccolti in 6 pennacchi dei camini idrotermali. Oltre al comune batterio SUP05, un consumatore di zolfo, gli scienziati hanno trovato geni di 5 virus finora sconosciuti e evidenziano che «i  dati genetici indicano che i virus si nutrono del SUP05. Questo non è molto sorprendente dato che i virus sono le entità biologiche più abbondanti nell’oceano e che sono una diffusa causa di mortalità tra gli organismi marini. La vera sorpresa è che il DNA dei virus contiene geni strettamente correlati ai geni che il batterio SUP05 usa per estrarre energia dai composti contenenti zolfo».

Se si mettono insieme ai risultati di studi precedenti, queste conclusioni indicano che «i virus forzano il SUP05 ad usare geni virali simili al SUP05 per aiutare il processamento dei globuli di zolfo elementare stoccati.  I geni virali simili ai SUP05 si chiamano geni metabolici ausiliari».

Melissa Duhaime, del dipartimento di Ecologia e biologia evoluzionistica dell’università del Michigan ha detto: «La nostra ipotesi è che i virus stimolino il consumo batterico di questo zolfo elementare a beneficio dei virus. Le relazioni metaboliche così stimolate possono liberare l’energia che i virus utilizzano per propagarsi e replicarsi». Ed  Anantharaman aggiunge: «Sospettiamo che, essenzialmente, questi virus sequestrino le cellule dei batteri e le inducano a consumare  lo zolfo elementare perché i virus possano propagarsi.

Ma come hanno fatto geni come quelli del SUP05 a finire in questi virus? I ricercatori non ne sono certi, ma dicono che «probabilmente i virus hanno “strappato” i geni da SUP05 durante qualche antica interazione microbica» Dick sottolinea: «Sembra che ci sia stato uno scambio di geni, il che implica il virus come agente dell’evoluzione. Questo è interessante dal punto di vista della biologia evolutiva». I risultati di questa ricerca aiuteranno gli scienziati come i cicli biogeochimici marini, tra cui il ciclo dello zolfo, risponderanno ai cambiamenti ambientali globali come la continua espansione delle zone morte marine, se negli oceani continueranno a crescere le aree povere di ossigeno, i batteri SUP05, che possono generare un potente gas serra come l’ossido di azoto, probabilmente amplieranno il loro areale.

Oltre a Anantharaman, Dick e Duhaime, autori della carta Science sono John A. Breir del Woods Hole Oceanographic Institution, Kathleen Wendt della University of Minnesota e Brandy M. toner della University of Minnesota.

David Garrison, direttore del programma Division of Ocean Sciences della National Science Foundation  –  che ha finanziato la ricerca insieme alla Betty Moore Foundation Fondazione Gordon e al Rackham Graduate School Faculty Research Fellowship Program dell’università del Michigan – conclude: «I virus hanno un ruolo cardine nei processi biogeochimici nelle acque basse e medio-profonde  dell’oceano. Questo studio suggerisce che i virus possono avere un importanza simile negli ambienti dei camini termali delle acque profonde».