Jaclyn Saunders (all'estrema destra) fissa la linea su uno strumento McLane che pompa grandi volumi di acqua di mare per estrarre il DNA. Lo strumento a sinistra misura proprietà quali temperatura, salinità e profondità e raccoglie campioni più piccoli di acqua di mare. Credito:Noelle Held/Woods Hole Oceanographic Institution
L'arsenico è un veleno mortale per la maggior parte degli esseri viventi, ma una nuova ricerca mostra che i microrganismi respirano arsenico in una vasta area dell'Oceano Pacifico. Un team dell'Università di Washington ha scoperto che un'antica strategia di sopravvivenza è ancora utilizzata nelle parti dell'ambiente marino a basso contenuto di ossigeno.
"Pensare all'arsenico non solo a un cattivo, ma anche come benefico, ha rimodellato il modo in cui vedo l'elemento, " ha detto il primo autore Jaclyn Saunders, che ha svolto la ricerca per la sua tesi di dottorato presso l'UW ed è ora borsista post-dottorato presso la Woods Hole Oceanographic Institution e il Massachusetts Institute of Technology.
Lo studio è stato pubblicato questa settimana nel Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .
"Sappiamo da molto tempo che ci sono livelli molto bassi di arsenico nell'oceano, " ha detto la co-autrice Gabrielle Rocap, un professore di oceanografia UW. "Ma l'idea che gli organismi possano usare l'arsenico per guadagnarsi da vivere è un metabolismo completamente nuovo per l'oceano aperto".
I ricercatori hanno analizzato campioni di acqua di mare da una regione al di sotto della superficie dove l'ossigeno è quasi assente, costringendo la vita a cercare altre strategie. Queste regioni possono espandersi sotto il cambiamento climatico.
"In alcune parti dell'oceano c'è un panino d'acqua dove non c'è ossigeno misurabile, " Rocap ha detto. "I microbi in queste regioni devono utilizzare altri elementi che agiscono come accettori di elettroni per estrarre energia dal cibo".
Un atomo di arsenico viola circondato da quattro atomi di ossigeno è arsenato (a sinistra). Un atomo di arsenico circondato da tre atomi di ossigeno è l'arsenito (a destra). Lo studio ha trovato prove di organismi marini che possono convertirsi l'uno nell'altro per ottenere energia in ambienti carenti di ossigeno. Credito:Wikimedia
Le alternative più comuni all'ossigeno sono l'azoto o lo zolfo. Ma le prime indagini di Saunders hanno suggerito che anche l'arsenico potrebbe funzionare, spronandola a cercare le prove.
Il team ha analizzato i campioni raccolti durante una crociera di ricerca del 2012 nel Pacifico tropicale, al largo delle coste del Messico. Le analisi genetiche sul DNA estratto dall'acqua di mare hanno scoperto due percorsi genetici noti per convertire le molecole a base di arsenico come un modo per ottenere energia. Il materiale genetico mirava a due diverse forme di arsenico, e gli autori ritengono che i percorsi si verifichino in due organismi che fanno circolare l'arsenico avanti e indietro tra forme diverse.
I risultati suggeriscono che i microbi che respirano arsenico costituiscono meno dell'1% della popolazione microbica in queste acque. I microbi scoperti nell'acqua sono probabilmente lontanamente imparentati con i microbi che respirano arsenico trovati nelle sorgenti termali o nei siti contaminati sulla terra.
"Quello che penso sia la cosa più bella di questi microbi che respirano arsenico esistenti oggi nell'oceano è che stanno esprimendo i geni per esso in un ambiente che è piuttosto povero di arsenico, " Ha detto Saunders. "Apre i confini per dove potremmo cercare organismi che respirano arsenico, in altri ambienti poveri di arsenico."
I biologi ritengono che la strategia sia un retaggio della storia antica della Terra. Durante il periodo in cui la vita sorse sulla Terra, l'ossigeno era scarso sia nell'aria che nell'oceano. L'ossigeno è diventato abbondante nell'atmosfera terrestre solo dopo che la fotosintesi si è diffusa e ha convertito l'anidride carbonica in ossigeno.
Le prime forme di vita dovevano guadagnare energia usando altri elementi, come l'arsenico, che era probabilmente più comune negli oceani in quel momento.
Il Mono Lake della California è naturalmente ricco di arsenico ed è noto per ospitare microbi che sopravvivono respirando arsenico. Gli organismi che vivono nell'ambiente marino sono probabilmente imparentati con quelli terrestri. Credito:Pixabay
"Abbiamo trovato le firme genetiche dei percorsi che sono ancora lì, resti del passato oceano che sono stati mantenuti fino ad oggi, " ha detto Saunders.
Le popolazioni che respirano arsenico potrebbero crescere di nuovo a causa dei cambiamenti climatici. Si prevede che le regioni a basso contenuto di ossigeno si espandano, e si prevede che l'ossigeno disciolto diminuisca in tutto l'ambiente marino.
"Per me, mostra solo quanto c'è ancora là fuori nell'oceano che non sappiamo, " ha detto Rocap.
Saunders ha recentemente raccolto più campioni di acqua dalla stessa regione e ora sta cercando di coltivare i microbi marini che respirano arsenico in un laboratorio per studiarli più da vicino.
"In questo momento abbiamo frammenti dei loro genomi, quanto basta per dire che sì, stanno facendo questa trasformazione di arsenico, " ha detto Rocap. "Il prossimo passo sarebbe mettere insieme un intero genoma e scoprire cos'altro possono fare, e come quell'organismo si inserisce nell'ambiente."
