Svelati i segreti della fotosimbiosi
La simbiosi tra cellule ospiti eterotrofiche monocellulari e microalghe fotosintetizzanti (fotosimbiosi) è un fenomeno diffuso ed ecologicamente importante nel plancton che vive negli strati solari degli oceani. Gli ospiti simbiotici possono ricevere cibo dai loro simbionti algali. Questi organismi svolgono un ruolo fondamentale nei cicli biogeochimici marini contribuendo alla predazione e alla produzione primaria. La conoscenza della diversità dei partner simbiotici è recentemente migliorata, ma le loro interazioni metaboliche rimangono ancora scarsamente comprese. Il progetto MINOTAUR di Orizzonte 2020, finanziato dall’UE, ha esplorato la base metabolica della fotosimbiosi planctonica, impiegando i radiolari come modello ecologico. L’obiettivo era quello di comprendere meglio come funziona questa collaborazione e il suo contributo al ciclaggio elementare nell’ecosistema pelagico. Le associazioni che coinvolgono organismi fotosintetici sono essenziali per fornire carbonio organico alle acque oceaniche e sono assorbitrici di anidride carbonica. «Queste simbiosi sono come piccole fabbriche in cui carbonio, azoto, fosforo e metalli in traccia, elementi essenziali per la vita, vengono riciclati internamente. La comprensione della loro funzione nella simbiosi ci aiuterà a comprendere il funzionamento meccanicistico ed eventi evolutivi, quali l’acquisizione di cloroplasti», afferma il coordinatore del progetto, il dott. Johan Decelle. Geni chiave e percorsi rivelati I ricercatori hanno utilizzato l’imaging microscopico ad alta risoluzione per indagare e mettere in evidenza i meccanismi morfologici e metabolici all’interno delle cellule simbiotiche. «Questo approccio ci consente di distinguere e quantificare il ruolo fisiologico di ciascun partner a livello di nanoscala, cosa attualmente impossibile utilizzando metodi di genomica», spiega il dott. Decelle. Gli scienziati hanno applicato un innovativo approccio monocellulare che coinvolge isotopi stabili e tecniche di imaging chimico ad alta risoluzione per visualizzare simultaneamente le strutture cellulari, identificandone il ruolo metabolico. Hanno poi quantificato l’assimilazione e il trasferimento di nutrienti tra i partner in diverse condizioni sperimentali. Lo stesso approccio è stato applicato ai simbionti allo stato libero per determinare il controllo dell’ospite sul metabolismo del simbionte. Analisi bioinformatiche sono ancora in corso per identificare i geni metabolici e i percorsi principali dai trascrittomi disponibili dei radiolari, consentendo loro di sviluppare una visione olistica delle interazioni metaboliche. Il trascrittoma rappresenta la somma totale di tutte le molecole di RNA messaggero espresse dai geni dell’organismo. Ognuna di queste tecniche ha il proprio programma specifico per analizzare e interpretare le annotazioni dei dati. «Ad esempio, possiamo calcolare e confrontare il contenuto di azoto o fosforo in diverse strutture cellulari, quali il cloroplasto o il nucleo da un’immagine ottenuta con spettrometria di massa di ioni secondari su scala nanometrica. Viene anche utilizzata l’analisi bioinformatica per elaborare le immagini tridimensionali di microscopia elettronica e ricostruire l’organizzazione architettonica delle cellule in tre dimensioni», osserva il dott. Decelle. Esplorato l’interno delle cellule Osservazioni al microscopio elettronico hanno rivelato un cambiamento morfologico radicale nelle microalghe simbiotiche all’interno della cellula ospite, in particolare del loro apparato fotosintetico. «L’imaging chimico ci ha permesso di visualizzare e quantificare la composizione elementare e isotopica delle cellule a una risoluzione subcellulare, per decifrare le interazioni metaboliche tra l’ospite e i suoi simbionti fotosintetici», sottolinea il dott. Decelle. Il risultato principale del progetto è la capacità di osservare e mappare i nutrienti e le molecole all’interno delle cellule a una risoluzione su scala nanometrica, individuando i principali fenomeni dell’interazione simbiotica a livello subcellulare. «Sebbene questi organismi siano largamente distribuiti e relativamente abbondanti nella superficie degli oceani, i nostri risultati forniscono un primo sguardo all’interno dell’ultrastruttura e della chimica delle cellule», afferma il dott. Decelle. «Anche la trasformazione morfologica delle microalghe all’interno di una cellula ospite rivelata dalla microscopia elettronica all’avanguardia rappresenta un risultato significativo». MINOTAUR ha ampliato i confini della ricerca biologica marina integrando conoscenze su biodiversità e fisiologia con studi ecologici. Ciò fornirà una più chiara comprensione del funzionamento degli ecosistemi acquatici e delle loro risposte a diversi stress ambientali, quali l’aumento delle temperature e la limitazione di nutrienti.
Parole chiave
MINOTAUR, fotosimbiosi, bioinformatica, microalghe, radiolari