terre aride, che coprono circa il 40 per cento della superficie terrestre della Terra, sono troppo secchi per sostenere molto in termini di vegetazione. Ma lungi dall'essere sterile, ospitano diverse comunità di microrganismi, inclusi funghi, batteri, e archaea, che abitano insieme entro i millimetri più alti del suolo. Queste croste biologiche del suolo, o biocroste, può esistere per lunghi periodi in un luogo essiccato, stato dormiente. Quando piove, i microbi diventano metabolicamente attivi, mettendo in moto una cascata di attività che altera drasticamente sia la struttura della comunità che la chimica del suolo.

"Queste biocroste e altri microbiomi del suolo contengono un'enorme diversità sia di microbi che di piccole molecole ("metaboliti"). Tuttavia, la connessione tra la diversità chimica del suolo e la diversità microbica è poco conosciuta, " disse Trent Northen, uno scienziato senior presso il Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab).

In un articolo pubblicato il 2 gennaio, 2018, in Comunicazioni sulla natura , I ricercatori del Berkeley Lab guidati dal laboratorio Northen riferiscono che composti specifici vengono trasformati e fortemente associati a batteri specifici nella crosta del suolo biologico nativo (biocrosta) utilizzando una suite di strumenti che Northen chiama "esometabolomica". Comprendere come le comunità microbiche nelle biocroste si adattano ai loro ambienti difficili potrebbe fornire importanti indizi per aiutare a far luce sui ruoli dei microbi del suolo nel ciclo globale del carbonio.

Il lavoro segue uno studio del 2015 che ha esaminato come specifici composti di piccole molecole chiamati "metaboliti" sono stati trasformati in una miscela di isolati batterici da campioni di biocroste coltivate in un ambiente di metaboliti dallo stesso terreno. "Abbiamo scoperto che i microbi che abbiamo studiato erano mangiatori "schizzinosi", " ha detto Northen. "Abbiamo pensato di poter usare queste informazioni per collegare ciò che viene consumato all'abbondanza dei microbi nella comunità intatta, collegando così la biologia alla chimica."

Nel nuovo studio, i ricercatori si sono proposti di determinare se le relazioni microbio-metabolita osservate nel sistema semplificato in provetta potessero essere riprodotte in un ambiente del suolo più complesso. Le biocroste della stessa fonte - che rappresentano quattro fasi successive di maturazione - erano bagnate, e l'acqua del suolo è stata campionata in cinque punti temporali. I campioni sono stati analizzati mediante cromatografia liquida-spettrometria di massa (LC-MS) per caratterizzare la composizione del metabolita ("metabolomica"), e il DNA della biocrosta è stato estratto per il sequenziamento shotgun per misurare i marcatori del gene a copia singola per le specie microbiche dominanti ("metagenomica").

"Quando confrontiamo i modelli di assorbimento e produzione dei metaboliti per i batteri isolati che sono correlati ai microbi più abbondanti presenti nelle biocroste, troviamo che, eccitante, questi modelli sono mantenuti, " disse Northen. Cioè, l'aumento dell'abbondanza di un dato microbo è correlato negativamente con i metaboliti che consumano e positivamente correlato con i metaboliti che rilasciano.

Quando attivo, le biocroste assorbono l'anidride carbonica atmosferica e fissano l'azoto, contribuendo alla produttività primaria dell'ecosistema. Inoltre elaborano la materia organica nel suolo, modifica delle proprietà chiave relative alla fertilità del suolo e alla disponibilità di acqua.

"Questo studio suggerisce che gli studi di laboratorio sull'elaborazione dei metaboliti microbici possono aiutare a comprendere il ruolo di questi microbi nel ciclo del carbonio nell'ambiente. Questo studio ci avvicina alla comprensione delle complesse reti alimentari che sono vitali nelle dinamiche dei nutrienti e nella fertilità complessiva del suolo, " ha detto la prima autrice dello studio Tami Swenson, un associato di ingegneria scientifica nel gruppo di Northen all'interno della divisione di genomica ambientale e biologia dei sistemi (EGSB) della Berkeley Lab Biosciences Area.

Il gruppo di Northen sta attualmente lavorando per espandere questi studi per catturare una frazione maggiore della diversità microbica. In definitiva, ciò può consentire la previsione del ciclo dei nutrienti negli ecosistemi microbici terrestri, e forse anche manipolazione con l'aggiunta di metaboliti specifici.