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Determination of bacterial vesicles interactions in the most abundant marine cyanobacteria and its potential applications

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In che modo le vescicole aiutano i cianobatteri marini ad adattarsi ai fattori di stress ambientale

Per prevedere l’impatto dei cambiamenti climatici sui nostri ecosistemi dobbiamo comprendere meglio alcuni meccanismi biologici alla base. VESYNECH ha ulteriormente caratterizzato i cianobatteri e la loro risposta ai fattori di stress per esaminare il ruolo potenziale che possono svolgere nel ciclo del carbonio.

Cambiamento climatico e Ambiente icon Cambiamento climatico e Ambiente

Alcuni batteri, come il Prochlorococcus e il Synechococcus, più comunemente noti come alghe verdi-azzurre, possono produrre e rilasciare sacche di membrana a parete sottile, conosciute come vescicole. Poiché essi sono due dei protagonisti che contribuiscono in maniera più considerevole alla fissazione della CO2 sulla Terra, il rilascio di vescicole potrebbe svolgere un ruolo importante nei cicli del carbonio. Tuttavia, gli studi si sono per lo più limitati a osservazioni delle colture. Il progetto VESYNECH, sostenuto dal programma di azioni Marie Skłodowska-Curie, ha acquisito conoscenze sull’ecologia e sulla funzione delle vescicole di Synechococcus, che costituisce una delle forme più abbondanti di cianobatteri negli oceani. «Abbiamo ottenuto risultati sorprendenti, in particolare riguardanti l’effetto sia della luce sia della limitazione di azoto e fosforo sul rilascio ma anche sul contenuto delle vescicole», afferma José Manuel García Fernández dell’Università di Cordoba, che ospita il progetto.

Caratterizzazione delle vescicole

Si ritiene che in altri batteri le vescicole svolgano diverse funzioni tra cui la promozione della crescita di batteri «aiutanti», la riduzione degli attacchi virali alle cellule o persino il ruolo di veicoli per il trasferimento dei geni. Per comprendere il motivo e in che modo siano prodotte queste vescicole, il primo obiettivo è stato quello di caratterizzarle in colture di Synechococcus dopo essere state esposte a diversi fattori di stress. Le colture di Synechococcus sono state coltivate per diversi giorni in condizioni di stress di shock luminoso e di carenza di azoto e fosforo. I campioni sono stati raccolti per essere sottoposti alla citometria a flusso per misurare l’abbondanza delle cellule, all’analisi per il monitoraggio delle nanoparticelle per misurare la concentrazione delle vescicole e all’assorbanza per misurare la curva di crescita. Le vescicole sono state inoltre isolate, concentrate e studiate per mezzo della microscopia elettronica a trasmissione prima della morte della coltura, al fine di verificare che si stessero effettivamente misurando le vescicole e non altre nanoparticelle quali i virus. Si sono altresì studiate la concentrazione e la composizione delle proteine. Il team ha dimostrato che lo shock luminoso stimola fortemente la vescicolazione. Inoltre, esso raddoppia abbondantemente la concentrazione di proteine all’interno delle vescicole e alcune sono coinvolte nella risposta allo stress e nella fotosintesi. «Questi risultati forniscono prove che le vescicole di membrana potrebbero aiutare i batteri a sopravvivere a condizioni di stress», spiega García Fernández. Il team ha inoltre dimostrato che la vescicolazione aumenta in caso di carenza di fosforo. Tuttavia, la carenza di azoto limita le vescicole e diminuisce la loro concentrazione di proteine. «Questa teoria si spiega perfettamente in quanto l’azoto è considerato il nutriente primario essenziale per la crescita dei cianobatteri e, poiché il Synechococcus si trova abbondantemente negli oceani aperti poveri di nutrienti, liberarsi delle vescicole ricche di azoto sarebbe uno spreco», aggiunge la ricercatrice María del Carmen Muñoz Marín.

Una comunità essenziale di fitoplancton

VESYNECH offre una migliore comprensione del metabolismo della comunità di fitoplancton e anche di come il fitoplancton marino sarà influenzato da diversi fattori di stress legati ai nutrienti e alla luce causati dai cambiamenti climatici. I risultati di VESYNECH potrebbero anche sostenere il cambiamento radicale degli attuali modelli di produzione, consumo, riciclaggio e smaltimento dei rifiuti. «I cianobatteri potrebbero essere una fonte alternativa di cibo e persino di energia, dato che il Synechococcus è uno degli organismi meglio caratterizzati per la produzione di biocarburanti. Il Synechococcus può anche biosintetizzare i polimeri poliidrossialcanoati, offrendo una fonte alternativa alla plastica che costituisce un problema fondamentale nei nostri oceani», osserva García Fernández. Nel suo nuovo progetto Muñoz Marín, attualmente ricercatrice principale presso l’Università di Cordoba, si sta concentrando sul possibile movimento di materiale genetico tra gli organismi. Per verificarlo, sta lavorando su tre costruzioni con la proteina fluorescente verde combinata con un peptide di segnale per inviare la proteina al periplasma, uno spazio nella membrana dei cianobatteri, in collaborazione con i ricercatori Ignacio Luque e Rocío López Igual dell’Istituto di biochimica vegetale e fotosintesi di Siviglia, in Spagna. «Vedremo se le vescicole sono coinvolte nel trasferimento genico orizzontale, spostando i geni tra gli organismi, ma soprattutto in che modo funziona la vescicolazione a livello genetico», afferma Muñoz Marín.

Parole chiave

VESYNECH, azoto, cianobatteri, cellula, cicli del carbonio, membrana, cambiamenti climatici, trasferimento genico, proteina, Synechococcus, alghe verdi-azzurre, vescicole, fosforo

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