Organismi microscopici noti come estremofili abitano alcuni degli ultimi posti sulla Terra in cui potresti aspettarti di trovare la vita, dalle pressioni estreme del fondo oceanico alle calotte glaciali gelide. Capire come questi microbi sopravvivono interagendo con diversi metalli e gas sta aprendo nuove conoscenze sugli elementi della Terra e sui loro potenziali usi.

Uno di questi habitat estremi sono i vulcani di fango, in genere strutture a forma di cono o pozze che scaricano fango ribollente, così come vapore e gas come metano e anidride carbonica.

più di 1, 000 vulcani di fango, che sono spesso associati alle cosiddette zone di subduzione, dove una placca tettonica è costretta sotto un'altra, e può essere estremamente acido, sono stati finora trovati su o vicino a terra.

Alcuni ricercatori hanno cercato di saperne di più sulle comunità microbiche contenute in questi vulcani di fango e sul loro ruolo nel ciclo dei gas e di altri elementi, compreso il metano, idrogeno, ammoniaca e zolfo.

In Italia, un progetto chiamato VOLCANO ha studiato i microbi che vivono in pozze di fango altamente acido nel cratere del vulcano spento della Solfatara vicino a Napoli e su un'isola vulcanica al largo della Sicilia settentrionale chiamata Vulcano, che in origine ha dato il nome alla parola 'vulcano' ed è famosa per i suoi fanghi e le sue sorgenti termali.

Professor Huub Op den Camp, un microbiologo alla Radboud University di Nijmegen, Paesi Bassi, e ricercatore principale su VOLCANO, afferma che i ricercatori hanno scoperto "per caso" un terzo sito di esplorazione:l'isola vulcanica di Pantelleria, occidentale della Sicilia. Ciò è avvenuto quando si sono imbattuti in altri ricercatori che avevano trovato prove molecolari che suggerivano il caldo di Pantelleria, il terreno acido conteneva batteri correlati a quelli nelle pozze di fango e coinvolti nel ciclo degli stessi gas.

Questi habitat, come una fonte significativa del potente gas serra metano, stanno fornendo preziosi indizi sui cambiamenti climatici, oltre ad avere potenziali applicazioni nelle tecnologie verdi come i biocarburanti e il riciclaggio dei metalli nei dispositivi elettronici.

Elementi delle terre rare

Una delle principali ispirazioni per VOLCANO è stata legata ai cosiddetti elementi delle terre rare (REE), un gruppo di 17 elementi metallici chimicamente simili che sono infatti abbondanti nella crosta terrestre nonostante il loro nome.

Prima, Il team del Prof. Op den Camp aveva scoperto che i REE erano una parte essenziale del metabolismo in Methylacidiphilum fumariolicum SolV, un microbo amante degli acidi trovato in un vulcano di fango della Solfatara che può vivere a livelli di pH estremi inferiori a 1 e trae la sua energia dal consumo o dall'ossidazione del metano.

Era la prima volta che i REE venivano identificati come condizione per la vita in un organismo, dopo essere stato precedentemente ritenuto non coinvolto in processi biologici. Cerio, il più abbondante dei 15 REE noti come lantanidi, sembrava essere il primo a stimolare la crescita tra i diversi ricercatori testati.

"Era un metallo completamente sconosciuto per essere attivo nella vita. Abbiamo scoperto che c'è un enzima (un catalizzatore biologico) in questi batteri che contiene questo metallo come cofattore, e senza questo lantanide l'organismo non può funzionare, " ha affermato il prof. Op den Camp. Dice che la loro scoperta sui REE ha portato a un "campo di ricerca in forte espansione" su tali processi negli estremofili.

È anche diventato evidente che l'uso di REE tra i batteri in generale è molto più comune di quanto si pensasse in precedenza, anche in habitat non di fango vulcanico. Il team del Prof. Op den Camp ha trovato, Per esempio, che due nuovi organismi ossidanti il ​​metano dai sedimenti del Mare del Nord contenevano enzimi dipendenti dai lantanidi, mentre una revisione da loro effettuata ha evidenziato la crescita della ricerca che utilizza i REE per coltivare microbi precedentemente considerati incoltibili.

Oltre a capire come far crescere tali microbi in laboratorio, i risultati aiutano a scoprirne di nuovi. "Ora, sempre più persone isolano batteri strettamente dipendenti dai lantanidi, " ha detto il prof. Op den Camp.

Applicazioni

Tutto questo ha potenzialmente molti usi. Se possiamo imparare come isolare grandi quantità di questi elementi dai batteri, potremmo usare questa conoscenza per estrarre e riciclare metalli da telefoni cellulari e altri dispositivi elettronici, che contengono REE come cerio, lantanio e neodimio. Questo può essere utile a lungo termine perché questi elementi sono difficili da estrarre ed estrarre economicamente, oltre ad essere finito.

Essere in grado di manipolare i lantanidi potrebbe anche aiutare la produzione di biogas rispettoso dell'ambiente, come il metanolo verde. Durante la coltivazione di M. fumariolicum, i ricercatori sono stati in grado di produrre metanolo dal metano limitando i lantanidi come input che altrimenti avrebbero aiutato a trasformare il metanolo in formaldeide.

Nel frattempo, il team ha scoperto che lo stesso batterio può eliminare le minuscole tracce di gas idrogeno dall'atmosfera, dove è presente in appena 0,5 parti per milione di molecole di gas, da utilizzare come fonte di energia oltre al metano. Il prof. Op den Camp afferma che l'energia extra ottenuta dall'idrogeno potrebbe aiutare i batteri a ossidare più metano.

"Forse entrambi i metabolismo (dell'idrogeno e del metano) si aiutano a vicenda anche per intrappolare concentrazioni molto basse di questi gas, " Egli ha detto, sollevando domande su fino a che punto possono spingersi nella rimozione di tracce di gas dall'atmosfera.

Rafforza anche la prova che il metabolismo microbico dell'idrogeno molecolare è molto più comune di quanto si pensasse inizialmente, dando più indizi sul ciclo dell'idrogeno sulla Terra. Per di più, con l'idrogeno che viene esplorato come un combustibile verde chiave del futuro, Il prof. Op den Camp afferma che questo potrebbe alla fine aiutare a guidare una "economia dell'idrogeno" se il gas può essere isolato dai microbi invertendo l'attività dell'idrogenasi, l'enzima che mangia idrogeno del batterio.

Il suo team ha anche calcolato speculativamente se i batteri potrebbero essere utilizzati nei filtri per ridurre il metano delle mucche, i principali emettitori di gas. Però, hanno capito che con la tecnologia attuale, la dimensione del filtro dovrebbe essere troppo grande per essere fattibile.

E il prof. Op den Camp sottolinea anche che molte applicazioni per gli estremofili del vulcano di fango potrebbero essere molto lontane, con sfide nell'upscaling di tale attività. "Puoi pensare ad applicazioni, ma è ancora un po' lontano, " ha detto. "Costerà anche un sacco di soldi per portarlo su larga scala".

Ma mentre molte applicazioni possono richiedere un po' di tempo, Il prof. Op den Camp afferma che la ricerca contribuisce a migliorare gradualmente la comprensione dei cicli fondamentali dei gas sulla Terra che aiutano la nostra conoscenza del clima. "Questo tipo di informazioni è importante per la comprensione futura del ciclo degli elementi che influenzano il clima, " Egli ha detto.

Tali habitat estremi sono anche utili da studiare perché la loro biodiversità relativamente bassa li rende meno complessi di altri ecosistemi, spiega il prof. Op den Camp, anche se anche questo potrebbe essere meno semplice di quanto si pensasse inizialmente. "Portano ancora grandi sorprese, " disse. "Nella terra di Pantelleria, abbiamo anche trovato batteri produttori di metano, che non ci aspettavamo affatto."

Condizioni difficili

Dott.ssa Anna Kruger, consulente in ingegneria genetica presso l'Autorità per l'Ambiente, Clima, Energia e agricoltura ad Amburgo, Germania, ha svolto ricerche sugli estremofili in località tra cui Vulcano. Dice che il suo ex team presso l'Università di tecnologia di Amburgo è stato "sorpreso" da quanti diversi gruppi di specie sono stati in grado di rilevare sequenziando il DNA da luoghi come sorgenti termali e vulcani di fango.

Dice che gli enzimi, o 'estremozimi, " trovati in tali microbi sono promettenti grazie alla loro capacità di resistere ai tipi di condizioni difficili che spesso si trovano nei processi industriali e hanno il potenziale per aiutare a sviluppare biocatalizzatori da utilizzare nella vita di tutti i giorni, come nei detersivi per il bucato.

"La biotecnologia è un aspetto chiave per cambiare la nostra economia da una comunità basata sul petrolio che consuma risorse a una comunità sostenibile a base biologica, " lei ha aggiunto.

Sapere di più su, Per esempio, microbi che amano il calore estremo, amplierebbe le opportunità, dice il dottor Kruger. "Penso che sarà un passo importante per analizzare le dinamiche della comunità e comprendere le interazioni metaboliche complete, " ha detto. "Ciò consentirebbe quindi la progettazione di specie estreme su misura per la produzione di tutti i tipi di sostanze chimiche, medici, antibiotici e bioplastiche a temperature elevate".

Ha anche indicato un enzima resistente al calore originariamente isolato dai batteri nelle sorgenti termali del Parco Nazionale di Yellowstone che è stato fondamentale durante la pandemia di COVID-19. "Il più importante è ancora la Taq polimerasi, che ha permesso la reazione a catena della polimerasi (PCR), il gold standard dei nostri attuali test SARS-CoV-2, " lei disse.

Professor Alexandre Soares Rosado, un microbiologo ambientale presso la King Abdullah University of Science and Technology di Thuwal, Arabia Saudita, vede anche gli organismi che hanno dovuto adattarsi per prosperare in luoghi in cui la vita è stata spinta ai suoi limiti come una promessa per applicazioni nella biotecnologia e nello sviluppo sostenibile.

Ritiene che gli estremofili forniscano applicazioni potenzialmente più sostenibili in settori con un previsto aumento della domanda di enzimi, come cibo e bevande, biocarburanti e mangimi.

"Solo di recente abbiamo iniziato a capire e a disporre di strumenti migliori per svelare la diversità degli estremofili in tutto il mondo, " ha detto il Prof. Rosado, che sta studiando habitat difficili in Arabia Saudita come vulcani attivi e inattivi, deserti e siti geotermici. "Come conseguenza, c'è un enorme potenziale per le applicazioni biotecnologiche nel mondo reale".

vulcani di fango

Nel frattempo, gli stessi vulcani di fango possono aiutarci a capire ecosistemi unici strettamente legati alle tubature dei gas, fluidi e sedimenti da reti di frattura che spesso si estendono per diversi chilometri verso il basso, dice il dottor Pei-Ling Wang, un geochimico presso la National Taiwan University di Taipei.

They can also bring fundamental knowledge about the climate cycle, she adds. "Microbial power in the bubbling mud pools or cone structures and surrounding mud platforms is critical to regulating the flux of greenhouse gases, " said Dr. Wang.

"Methanotrophs (microbes that metabolize methane) living in terrestrial mud volcanoes are critical players for methane consumption. Understanding their physiology, capabilities and distribution can establish a model for their role in greenhouse gas regulation."