Come Bill Murray nel film “Ricomincio da capo” (Groundhog Day), le specie batteriche in un lago del Wisconsin sembrano intrappolate in un ciclo infinito da cui non riescono a uscire. Tuttavia, in questo caso, si tratta più di un “Ricomincio da capo annuale“.
Il ciclo infinito delle specie batteriche
Secondo un nuovo studio pubblicato su Nature Microbiology, i ricercatori hanno scoperto che nel corso di un anno la maggior parte delle specie batteriche individuali nel Lago Mendota evolve rapidamente, apparentemente in risposta ai drastici cambiamenti stagionali.
Le varianti genetiche aumentano e diminuiscono di generazione in generazione, ma centinaia di specie diverse ritornano quasi completamente a copie molto simili a quelle che erano geneticamente prima di essere sottoposte a pressioni evolutive per circa un migliaio di generazioni; i singoli microbi hanno una durata di vita di pochi giorni, non intere stagioni, quindi il lavoro degli scienziati ha coinvolto il confronto tra genomi batterici, per l’appunto delle specie batteriche, per esaminare i cambiamenti delle specie nel tempo.
Questo stesso cambiamento stagionale si è ripetuto anno dopo anno, come se l’evoluzione fosse un film che ricomincia ogni volta dall’inizio, apparentemente senza progredire.
Lo stupore di Robin Rohwer sul loop delle specie batteriche
“Sono rimasta sorpresa che una così grande parte della comunità batterica stesse subendo questo tipo di cambiamento,” ha affermato Robin Rohwer, ricercatrice post-dottorato all’Università del Texas a Austin nel laboratorio del coautore Brett Baker. “Speravo di osservare solo un paio di esempi interessanti, ma ce n’erano letteralmente centinaia.”
Rohwer ha guidato la ricerca sulle specie batteriche, prima come dottoranda presso l’Università del Wisconsin-Madison con Trina McMahon e poi presso l’Università del Texas.
Il Lago Mendota subisce grandi cambiamenti da una stagione all’altra: durante l’inverno è coperto di ghiaccio, mentre in estate è ricoperto di alghe e all’interno della stessa specie batterica, i ceppi più adatti a determinate condizioni ambientali prevalgono per una stagione, mentre altri ceppi di altre specie batteriche trovano la loro opportunità in stagioni diverse.
Come sono state analizzate le specie batteriche sull’acqua
Il team ha utilizzato un archivio unico di 471 campioni d’acqua raccolti in 20 anni dal Lago Mendota da McMahon, Rohwer e altri ricercatori dell’Università del Wisconsin-Madison come parte di progetti di monitoraggio a lungo termine finanziati dalla National Science Foundation; per ciascun campione d’acqua, hanno assemblato un metagenoma, ovvero l’insieme di sequenze genetiche derivanti da frammenti di DNA lasciati da batteri e altri organismi e questo ha portato alla creazione della più lunga serie temporale di metagenomi mai raccolta in un ambiente naturale.
“Questo studio rappresenta un cambiamento epocale nella nostra comprensione di come le comunità microbiche cambiano nel tempo,” ha affermato Baker. “Questo è solo l’inizio di ciò che questi dati ci diranno sull’ecologia e l’evoluzione microbica in natura.”
L’archivio ha anche rivelato cambiamenti genetici più duraturi.
Cambiamenti genetici delle specie batteriche e… ghiaccio
Nel 2012, il lago ha vissuto condizioni insolite: il ghiaccio si è sciolto presto, l’estate è stata più calda e secca del solito, il flusso d’acqua di un fiume che alimenta il lago si è ridotto e le alghe, una fonte importante di azoto organico per i batteri, sono state meno abbondanti del solito e come hanno scoperto Rohwer e il team, molti batteri nel lago quell’anno hanno subito un importante cambiamento nei geni legati al metabolismo dell’azoto, probabilmente a causa della scarsità di alghe.
“Pensavo che, tra centinaia di batteri, ne avrei trovati uno o due con un cambiamento a lungo termine,” ha detto Rohwer. “Invece, uno su cinque ha mostrato grandi cambiamenti nella sequenza genetica che si sono manifestati nel corso degli anni. Siamo riusciti a studiare a fondo una sola specie, ma è probabile che anche altre abbiano subito importanti cambiamenti genetici.”
Gli scienziati del clima prevedono eventi meteorologici estremi più frequenti, come l’estate calda e secca vissuta al Lago Mendota nel 2012, per il Midwest degli Stati Uniti nei prossimi anni.
“Il cambiamento climatico sta gradualmente spostando le stagioni e le temperature medie, ma sta anche causando eventi meteorologici più bruschi ed estremi,” ha affermato Rohwer. “Non sappiamo esattamente come i microbi risponderanno al cambiamento climatico, ma il nostro studio suggerisce che evolveranno in risposta sia a questi cambiamenti graduali sia a quelli più improvvisi.”
Relazioni con altri esperimenti
A differenza di un altro famoso esperimento sull’evoluzione batterica condotto all’Università del Texas, il Long-Term Evolution Experiment, lo studio di Rohwer e Baker ha coinvolto l’evoluzione batterica in condizioni naturali complesse e in costante cambiamento.
I ricercatori hanno utilizzato le risorse di supercalcolo del Texas Advanced Computing Center (TACC) per ricostruire i genomi batterici a partire da brevi sequenze di DNA nei campioni d’acqua; lo stesso lavoro, completato in un paio di mesi al TACC, avrebbe richiesto 34 anni con un computer portatile, secondo le stime di Rohwer, coinvolgendo oltre 30.000 genomi di circa 2.800 specie batteriche diverse.
“Immaginate che il genoma di ogni specie sia un libro, e ogni piccolo frammento di DNA una frase,” ha spiegato Rohwer. “Ogni campione contiene centinaia di libri, tutti tagliati in queste frasi. Per riassemblare ogni libro, bisogna capire a quale libro appartiene ciascuna frase e rimetterle nell’ordine giusto.”
Altri coautori del nuovo studio includono Mark Kirkpatrick dell’Università del Texas; Sarahi Garcia dell’Università Carl von Ossietzky di Oldenburg (Germania) e dell’Università di Stoccolma; e Matthew Kellom del Joint Genome Institute del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti.
Questo studio è uno dei due articoli correlati pubblicati sulla rivista; l’altro si concentra sull’ecologia e l’evoluzione dei virus utilizzando gli stessi campioni di lago.
Il sostegno a questa ricerca è stato fornito in parte dalla National Science Foundation degli Stati Uniti, dai National Institutes of Health, dall’Office of Science del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, dal Dipartimento dell’Agricoltura degli Stati Uniti, dalla Simons Foundation e dalla E. Michael and Winona Foster-WARF Wisconsin Idea Graduate Fellowship in Microbiology.
