Biodiversità microbiche(ovvero, della maggioranza invisibile)

Paola Quatrini

Dipartimento STEMBIO Scienze e Tecnologie Molecolari e Biomolecolari

•‘La Biodiversità una risorsa essenziale della Natura.

•Conoscenza e valorizzazione attraverso la Scuola’

Palermo, 4 marzo 2011

I microrganismi NON SONO CONTAMINANTI

Sono ubiquitari, colonizzano superfici (incluse

quelle interne ed esterne di organismi superiori),

spesso simbionti o commensali

Sono alla base dell’intero ecosistema

Una maggioranza invisibile

Una fila ordinata di mille batteri misurerebbe solo un millimetro.

Heliobacterium modesticaldumSaccharomyces cerevisiae

La biodiversità microbica si svela grazie a nuove tecniche

1° microscopio

Anton van Leeuwenhoek

(1632-1723)

Vedere per credere

Louis Pasteur

(1822-1895) Forme diverse,

funzioni diverse

lievito batterio

Fermentazione

Robert Koch

(1843-1910)Una specie una malattiaBacillus antracis

Coltura pura

Identificazione di microrganismi (Coltura pura, morfologia, nutrizione, habitat, biochimica, fisiologia)

Le nuove tecniche svelano la

diversità microbica

• Diversità morfologica

Diversi, insospettabilmente diversi

Helycobacter pilorii Rhizobium leguminosarum

Vibrio fischeri Pyrococcus furiosus

Acque sulfuree

GeyserGhiaccio

Sorgenti idrotermalisottomarineLaghi ipersalini

Biodiversità oltre i limiti

ESTREMOFILIA

Microrganismi estremofili

Diversità di fonti di energia

• “Fisici”: luce (fototrofi)

• “Chimici”: molecole organiche ed

inorganiche (litotrofi)

• “Biologi”: Molecole organiche complesse

(saprofiti & predatori)

Aspetti della diversità microbica

degli ambienti naturali

• Diversità morfologica

• Diversità genetica

• diversità filogenetica

• Diversità metabolica

• Diversità funzionale

• Diversità di nicchia ecologica

• …

L’informazione genetica è alla base della biodiversità

Diversità dei genomi batterici

Trasferimento genico

orizzontale

E. coli

Divisione cellulare

Lo studio delle relazioni evolutive basato sulle sequenze ribosomali (16S e

18S) ha rivelato che i procarioti sono costituiti da due domini (Bacteria e

Archea) e gli eucarioti formano un unico gruppo.

Un approccio filogenetico alla classificazione dei viventi

Karl Woese

Il gene per l’rRNA è

un cronometro molecolare

• E’ presente in ogni tipo di organismo

• la sua sequenza è conservata

• E’ essenziale

• Accumula mutazioni casualmente sulla sequenza

• Non è soggetto a trasferimento laterale

• Riflette la distanza evolutiva tra organismi

WOESE 1987, Microbiol. Rev, 51

Mappa della variabilità del gene

16SrRNA.

Gene 16S rRNA di E. coli: I colori

indicano la variabilità, In verde le

legioni variabili da V1-aV9.con .

Costruzione di un albero filogenetico

basato sulle sequenze del gene ribosomale 16S.

L’albero della vita (3 domains of life)

MONERA

PROTISTA

FUNGI

PLANTAE

ANIMALIA

MONERA

Una specie procariotica: è un raggruppamento monofiletico e

geneticamente coerente di organismi che mostrano un

elevato grado di somiglianza, rilevabile per mezzo di test

indipendenti (Rossello-Mora &Aman 2001 FEMS Microbiol. Rev.)

Il concetto di specie nei procarioti

Il concetto di specie biologica descritta per piante ed animali (popolazione

di individui isolata riproduttivamente in grado di incrociarsi e dare progenie

fertile) non è applicabile ai procarioti.

La specie procariotica

Approccio polifasico

Contenuto in % G+C: Differenza <5%

Similarità % DNA-DNA >70%

gene 16S Identità % >97%

Caratteri fenotipici

Caratteri genotipici

Morfologia, motilità, biochimica

fisiologia, ecologia, etc

Universal phylogenetic tree as determined from comparative

ribosomal RNA sequencing.

Only a few key organisms or lineages are shown in each domain.

??L.U.C.A.

Aspetti della diversità microbica

degli ambienti naturali

• Diversità morfologica

• Diversità genetica

• diversità filogenetica

• Diversità metabolica

• Diversità funzionale

• Diversità di nicchia ecologica

• …

I Microrganismi sono indispensabili

all’ecosistema

Per le loro capacità “uniche”

Degradazione della sostanza organica

Azotofissazione

Fermentazioni (cibo e conservazione)

Produzione di antibiotici

Simbiosi

Se i microrganismi sparissero dalla biosfera

la terra sarebbe un’enorme discarica

di rifiuti e organismi morti

il compostaggio

Il compostaggio è un processo biologico aerobio attraverso il quale i microrganismi trasformano la sostanza organica in CO2, H2O e compost

Il COMPOST

è un materiale organico

complesso,

sanitizzato, stabile e

simile all’humus.

Il compost(dal latino compositum - costituito da più materiali)

materiale di partenza processo del compostaggio

La sostanza organica (humus)

migliora la fertilità del suolo

Aumenta la disponibilità di nutrienti

Riduce la necessità di fertilizzanti

Migliora la struttura del suolo

Migliora l’arieggiamento

Riduce l’erosione

Facilita la degradazione dei pesticidi

Contrasta la desertificazione!

TUTTE LE PIANTE SVOLGONO LA FOTOSINTESI

anidride carbonica zuccheri

Azoto dal suolo

Funzioni uniche dei batteri: l’azotofissazione

zuccherianidride carbonica

Azoto atmosferico (N2) proteine

SOLO LE LEGUMINOSESVOLGONO ANCHE AZOTOFISSAZIONEgrazie ai loro simbionti batterici

N2

NH3

le cellule di rizobio aderiscono al pelo radicale della leguminosa che riconoscono attraverso segnali chimici

Il pelo radicale si curva e le cellule batteriche penetrano nella radice

La pianta forma i noduli che ospitano i batteri. Nei noduli i rizobi fissano l’azoto

ADESIONE E RICONOSCIMENTO

INFEZIONE E NODULAZIONE

AZOTOFISSAZIONE

LA SIMBIOSI TRA LEGUMINOSA E RIZOBIO

N2

NH3

Leguminosa

AZOTO ridotto

DISPONIBILE

ZUCCHERI

E

ACIDI ORGANICI

Rhizobium

I rizobi penetrano nelle radici delle leguminose e fissano l’azoto nelle strutture specializzate chiamati noduli

Una simbiosi mutualistica “antica”

Leguminose spontanee arbustive

Lotta alla desertificazione e Protezione dei suoli

Leguminose da granella

Alimentazione umana e foraggio

Le proteine dei poveri

I vantaggi per l’uomo e per l’ambiente

Anagyris foetida

Spartium junceum

Teline monspessulana

Calicotome spinosa

Calicotome infesta

Cytisus aeolicus

Genista aspalathoides

Etna, Nebrodi, Madonie, Monti di Palermo,

Piana degli Albanesi, Caltanissetta, Pantelleria,

Vulcano, Stromboli,

PALERMO VASCA STORICA BONIFICATA DI BELLOLAMPO

Luglio 2003

INOCULI MICROBICI BENEFICI SU LEGUMINOSE LEGNOSE PER IL RECUPERO DEI SUOLI INOSPITALI

marzo 2000gennaio 2000

Substrato della discarica Impianto di ginestre

Ginestra in discarica (5 anni)

020406080

100120140160

Altezz

a (c

m)

Diam

(mm

)

sopr

avvive

nza (%

)

Alt

., D

iam

., S

op

rav

v.

Ginestre inoculate con simbionti benefici

Ginestre non inoculate

La fioritura!

Penicillum notatum

UNA GUERRA TRA MICROBI DIVERSI: GLI ANTIBIOTICI

Diversità di attinomiceti produttori di metaboliti

secondari

Micelio

aereo e

spore

antibiotici

Micelio

primario

Gli attinomiceti sono batteri del

suolo filamentosi

Gram-positivi

Ciclo vitale complesso

Producono:

Metaboliti secondari (antibiotici,

antielmintici, pigmenti, siderofore)

Enzimi idrolitici extracellulari Streptomyces coelicolor A3(2)

Streptomycetes

Actinomycetes

antibiotici, antielmintici, pigmenti, siderofore

Biodiversità microbica e nuovi antibiotici

La necessità di cercare nuovi antibiotici (o modificare gli esistenti) deriva dalla

diffusione di ceppi patogeni resistenti e multi-resistenti.

Struttura rappresentativa di una molecola umica

antibiotici (a), siderofore (b), pigmenti (c), lipidi (d) e altre molecole e)

prodotte dall’attinomicete Streptomyces coelicolor A3(2)

Metaboliti secondari di origine microbica

Speciale SIMBIOSI

Euprymna scolopes e Vibrio fischeri

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I limiti dei metodi della microbiologia classica

Procarioti non coltivabili

La maggioranza dei batteri (99%) ambientali

resiste alla coltivazione in laboratorio

L’analisi dei geni ribosomali suggerisce che ci

sono batteri non coltivabili in tutti i gruppi

tassonomici dei procarioti.

Il dogma centrale dell'ecologia microbica: La grande anomalia della conta su piastra

Conta diretta al microscopio Conta vitale (coltura su piastra)

Analisi delle comunità microbiche con

metodi molecolari coltura-indipendenti

1 2 3 4 5 6 7K-

100 bp

ladder

100 bp

ladder

15001250

500

600

700

800

900

1031

bp

Clonaggio di

frammenti di DNA

in un vettore

Extraction of DNA

from the whole

community

Analisi ARDRA

Sequenziamento dei

cloni

16S rDNA

amplification Clonaggio degli

ampliconi

Metodi molecolari per l’analisi della diversità microbica

Librerie ambientali di geni 16S

Identificazione componenti

Comunità microbica

SENZA COLTIVARE !!!!

diversità microbica ruolo funzionale

Analisi del DNA Ambientale

L’approccio metagenomico

Microrganismi intestinali

e obesità

L’obesità è associata a: cambiamenti del “microbiota”:

ridotta diversità batterica

alterata presenza di geni e pathways metabolici coinvolti nel metabolismo di carboidrati, lipidi e amino-acidi più DIVERSA efficienza nello sfruttamento dei nutrienti

Microrganismi e produzione di energia

Enzimi microbici per la produzione di

etanolo dalle biomasse ligno-cellulosiche

Reticulitermes lucifugus

lucifugusIsoptera

Soffitti lignei & Insetti xilofagi

Soffitto ligneo di Palazzo Steri

Composizione della comunità batterica

Modello di nutrizione di Nasutitermis

Diversità microbica & OGM

IN NATURA, IL RUOLO DELL'INFINITAMENTE

PICCOLO. È INFINITAMENTE GRANDE

(Louis Pasteur )

La filogenesi batterica basata sul gene per l’rRNA 16S

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