Per il dottorato di ricerca dell'Arizona State University Julie Bethany Rakes, neolaureata, tutto è iniziato come un esperimento fallito che si è rivelato una scoperta di grande impatto per la comunità della microbiologia. Recentemente in Comunicazioni sulla natura , il professor Ferran Garcia-Pichel di Rakes and Regents ha riferito di un nuovo batterio che preda i cianobatteri del suolo nelle biocroste. In questa pubblicazione descrivono il ciclo di vita del predatore appena scoperto, il meccanismo di attacco e il suo impatto ecologico.

I batteri sono ovunque e svolgono un ruolo importante nel mantenimento dei processi ecologici in tutto il mondo. Ad esempio, nel suolo desertico, i cianobatteri utilizzano la fotosintesi per produrre energia. Simile alle piante, il loro ruolo nella produzione di ossigeno e nella fissazione dell'azoto è fondamentale per la sopravvivenza di altri organismi. I cianobatteri formano comunità che vivono sulla superficie del suolo formando biocroste. Queste comunità apportano enormi vantaggi intrappolando la polvere, prevenendo l'erosione e aumentando i nutrienti e il livello dell'acqua nel suolo.

Sfortunatamente, e nonostante il loro ruolo nel mantenimento degli ecosistemi, i cianobatteri sono la preda preferita di un predatore appena scoperto:Candidatus Cyanoraptor togatus (C. togatus).

"C'era qualcosa che uccideva le biocroste. Non era un virus e non era un piccolo animale. Potrebbe essere solo un altro batterio", ha detto Garcia-Pichel.

Le biocroste sane di cianobatteri assomigliano al terreno quando sono asciutte, ma quando sono bagnate è visibile la loro pigmentazione verde; tranne per il fatto che le biocroste che sono state attaccate dal Cyanoraptor mostrano radure di cianobatteri in schemi circolari, noti come placche, simili a minuscoli anelli fatati. Sul campo, i ricercatori sono stati in grado di identificare la malattia osservando quelle placche insolite.

"Li ho visti per la prima volta a Casa Grande, in Arizona, e poi ho continuato questo processo osservando i temporali e correndo immediatamente sul campo, a volte guidando per 6 ore o più per identificarli in più luoghi nei deserti di Sonora e Chihuahuan", ha detto Rakes.

Hanno lavorato sul campo e in laboratorio per isolare i batteri patogeni. Dopo l'isolamento, i batteri sono stati coltivati ​​e sono stati stabiliti il ​​loro ciclo vitale e il meccanismo di attacco.

In una fase iniziale, il Cyanoraptor si propaga come minuscole cellule sferiche chiamate propaguli. Queste cellule non crescono né si dividono; invece si nascondono e aspettano pazientemente la loro preda. Quando il cianobatterio si avvicina abbastanza, il Cyanoraptor attacca, attaccandosi alla preda e formando una struttura di aggancio specializzata, dissolvendo la parete cellulare simile alla pelle della preda ed entrando nella cellula della preda.

I propaguli di Cyanoraptor sono strani per quanto riguarda i batteri. Hanno un compartimento esterno delimitato da due membrane. I ricercatori sospettano che questo compartimento svolga un ruolo chiave nell'attacco, trattenendo e quindi rilasciando proteine ​​che rompono la membrana esterna della loro preda e le consentono di entrare nel corpo cellulare indebolito. Questo compartimento è anche il modo in cui Cyanoraptor prende il nome della sua specie, togatus, perché sembra che siano avvolti in una tunica o toga.

Una volta dentro, Cyanoraptor mangia la preda, diventando sempre più grande in una cellula simile a una salsiccia. Quando è abbastanza lungo, questo predatore inizia a dividersi in molte cellule tutte in una volta, uccidendo infine la preda e diventando di nuovo propaguli, in attesa della prossima sfortunata vittima.

"È un predatore che entra nelle cellule delle loro prede e le mangia dall'interno, il che è orrendo", ha detto Garcia-Pichel. "È davvero come un film dell'orrore microbico."

Quando i cianobatteri muoiono, tutte le cose che le biocroste fanno a beneficio del deserto sono scomparse. Proprietà preziose come il ciclo dell'azoto, l'intrappolamento della polvere e la ritenzione dell'umidità sono drasticamente ridotte.

"In generale, ciò significa che potrebbero esserci gravi conseguenze per la salute del deserto, meno nutrienti, suolo meno stabile e ritenzione idrica, quindi una riduzione del tempo che piante e altri organismi possono essere attivi. Con la perdita di queste funzioni, gli organismi che dipendono da queste servizi, come le piante, potrebbero risentirne, il che potrebbe poi avere ulteriori conseguenze lungo la catena alimentare", ha affermato Rakes.

Questa importante scoperta non sarebbe stata possibile se non fosse stato per la tenacia di Rakes e il suo rifiuto di cedere a quello che all'inizio sembrava essere un fallimento. Fortunatamente per il futuro dei cianobatteri, ha perseverato.

La sua scoperta ha anche dimostrato che i batteri predatori possono modellare la struttura e la funzione delle comunità microbiche in tutto il mondo, che non sono solo un'interessante rarità biologica.

Questa esperienza le ha dato una certa saggezza da trasmettere ad altri studenti laureati:

"Seguire quei risultati che sono inaspettati o addirittura sembrano essere completamente sbagliati", ha detto. "Quando mi sono ritrovato a dire 'è strano', spesso era qualcosa che ancora non capivo. Come saggiamente mi ha detto Ferran, 'Negli esperimenti non puoi spiegarlo, i microbi ti parlano.'"

È possibile accedere al genoma completo dei batteri appena scoperti tramite il database NCBI in BioProject PRJNA730811. Rakes e Ferran sono affiliati alla School of Life Sciences e al Biodesign Center for Fundamental and Applied Microbiomics. Questa indagine è stata condotta in collaborazione con Shannon Lynn Johnson, uno scienziato del Los Alamos National Laboratory e anche un ex dottorando SOLS. + Esplora ulteriormente

Studiare il comportamento predatorio nel regno batterico