Ecologia microbica molecolare

Come fanno i batteri a vivere quando non sono in un laboratorio ma in natura?

Questa è la domanda cruciale, ed ancora poco risolta, dell'ecologia microbica.

Perché molecolare?

Perché i batteri esplicano le loro funzioni mediante molecole, in particolare geni, che permettono la colonizzazione degli ambienti e mediano linterazione con gli altri organismi. Studiare i geni in un ambiente significa perciò studiare i batteri che possiedono quei geni, la loro tassonomia (quali specie sono) ed il loro metabolismo (cosa fanno). Inoltre, dato molto importante, solo l'1% circa dei batteri che vivono in un ambiente si possono isolare e coltivare nelle comuni condizioni di laboratorio. Studiare direttamente il loro DNA ed RNA, senza coltivarli in laboratorio, significa quindi poter avere accesso a batteri mai osservati prima e dalle caratteristiche metaboliche uniche.

In questo contesto, a fronte delle migliaia di ambienti che è possibile esplorare, il nostro interesse si concentra su due particolari nicchie ecologiche:

1) Le popolazioni naturali del batterio azotofissatore simbionte Sinorhizobium meliloti (vedi anche la parte di Genomica batterica).

2) Le comunità batteriche del suolo e delle spiagge.

3) Le comunità batteriche associate agli animali e alle piante

1) SOCIOBIOLOGIA DELLA SIMBIOSI TRA RIZOBI E LEGUMINOSE

Il modello del ciclo vitale di S. meliloti prevede che i batteri presenti nel suolo interagiscano formando noduli radicali (vedi foto) con le radici delle leguminose, le quali traggono vantaggio dall'azoto fissato dai batteri per la crescita e la produzione dei semi. I batteri in cambio ricevono gli zuccheri prodotti dalla fotosintesi della pianta. I batteri presenti nei noduli saranno liberati alla fine del ciclo biologico della pianta e si ritroveranno liberi nel suolo. Esistono però nel suolo molti ceppi diversi che competono tra loro per la simbiosi con la pianta. Alcuni di questi ceppi, di cui abbiamo sequenziato il genoma, mostrano delle caratteristiche più simili al parassita che al simbionte (sono capaci di entrare in simbiosi, ma non fissano l'azoto). In questa linea di ricerca ci si propone quindi di studiare il comportamento del sistema pianta-rizobi in presenza di più tipi di ceppi (simbionti efficaci e supporti parassiti), avvalendosi delle tecniche di analisi molecolare dei genomi (tra cui la trascrittomica e la fenomica) e di esperimenti condotti in condizioni in vitro.

2) COMUNITA BATTERICHE DEL SUOLO

I batteri (seppur non osservabili a occhio nudo) costituiscono la maggior parte della biodiversità. In particolare nel suolo è presente la frazione più grande della biodiversità microbica (in un grammo di terra si possono trovare fino a 10 miliardi di batteri appartenenti a milioni di specie diverse).

I batteri del suolo svolgono importantissime funzioni legate ai cicli degli elementi nella biosfera, quali il ciclo del carbonio, dell'azoto e dello zolfo e la loro presenza condiziona in modo positivo la fertilità agricola dei suoli. In modo particolare il ciclo dell'azoto è strettamente legato alla capacità, da parte dell'"ecosistema suolo", di fornire un supporto alla crescita della piante in condizioni "ecosostenibili", cioè con un basso uso di fertilizzanti azotati di sintesi chimica.

La struttura tassonomica e le attività funzionali dei batteri sono fortemente influenzate dalle condizioni ambientali del suolo (fisico-chimiche, presenza di piante, pratiche agricole ecc.)

3) LE COMUNITA' BATTERICHE ASSOCIATE AGLI ANIMALI E ALLE PIANTE

Nell'ambito di alcuni programmi di ricerca nazionali ed in collaborazione con i gruppi di ricerca di zoologia (Prof. Alberto Ugolini), evoluzione molecolare (Prof. Renato Fani) e dell'ENEA di Roma, stiamo studiando i microbiomi presenti nei polmoni di pazienti affetti da Fibrosi Cistica, dell'intestino di crostacei presenti sui litorali sabbiosi e di piante di interesse nella medicina integrativa. Lo scopo di queste ricerche è identificare biomarcatori a scopo diagnostico e prognostico (Fibrosi Cistica), di esplorazione della biodiversità e dell'impatto dell'inquinamento delle spiagge sull'ecosistema (crostacei) e di identificazione di attività microbiche legate alla produzione dei metaboliti di interesse farmacologico da parte delle piante. Questi studi si avvalgono delle tecniche di sequenziamento massivo del DNA di ultima generazione e dell'analisi biostatistica e boinformatica per la rielaborazione e l'interpretazione dei dati.