Il mondo della vita nascosta scende sotto i nostri piedi


I tipi di suolo negli Stati Uniti includono (in senso orario da sinistra in alto) le serie Honga, Madison, Coxville, Cowarts, Lynn Haven, Green Level, Leon, Hiwassee, Tuxekan e Appling. Tutti si trovano nel sud-est ad eccezione della serie Tuxekan, che si trova in Alaska. Da Quanta Magazine ( trova la storia originale qui )

I tipi di suolo negli Stati Uniti includono (in senso orario da sinistra in alto) le serie Honga, Madison, Coxville, Cowarts, Lynn Haven, Green Level, Leon, Hiwassee, Tuxekan e Appling. Tutti si trovano nel sud-est ad eccezione della serie Tuxekan, che si trova in Alaska.

Da Quanta Magazine ( trova la storia originale qui ).

Janet Jansson iniziò a interrogarsi sul vasto universo della vita underground di uno studente della New Mexico State University alla fine degli anni '70. Una manciata di terreno contiene circa 10 miliardi di batteri, ma all'epoca gli scienziati della terra sapevano molto poco su cosa fossero questi microbi e cosa facessero. Successivamente, da giovane ecologa microbica all'Università di Stoccolma, in Svezia, iniziò a catalogare i microrganismi raccolti durante i viaggi di campionamento del suolo, decifrando il loro codice genetico in modo che potesse capire sia i loro meccanismi interni che il modo in cui si inserivano nel loro habitat sotterraneo.

Mentre scavava Jansson, però, continuava a correre un problema. Il metodo principale allora utilizzato per amplificare e analizzare tratti di DNA non era abbastanza potente da rivelare tutto il funzionamento di un singolo microrganismo, tanto meno un'intera comunità di essi. "Potresti ottenere informazioni su specifici geni, ma le tecnologie di sequenziamento erano molto lente", ha detto Jansson, ora direttore di divisione delle scienze biologiche presso il Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) di Richland, Washington. Sapeva che gli strati di sedimenti studiati possedevano un tesoro di reperti biologici, ma non aveva ancora gli strumenti di cui aveva bisogno per portarli alla luce.

Poi, subito dopo la fine del secolo, i nuovi metodi di sequenziamento del DNA ad alto numero di ottani hanno reso possibile sequenziare migliaia o addirittura milioni di geni quasi istantaneamente. Questi nuovi metodi più rapidi hanno significato che i ricercatori potevano facilmente sequenziare i genomi collettivi del campione, noto come metagenoma, per la prima volta. All'improvviso, è stato possibile scansionare la composizione complessiva di habitat diversi come paludi e tundra ghiacciate, producendo un ritratto dettagliato della vita microbica che contenevano. Le sequenze genetiche e proteiche di queste ampie scansioni - le prime del loro genere - sarebbero, una volta decodificate, illuminare ciò che i microbi stavano effettivamente facendo all'interno di ciascun ecosistema. I dati aiuterebbero i ricercatori a capire come i microbi catturano e immagazzinano l'anidride carbonica dall'atmosfera, come abbattono la materia organica in modo che le piante possano accedere ai suoi nutrienti e in che modo neutralizzano le tossine del suolo note per minacciare la salute umana. "Puoi semplicemente sequenziare tutto", ha detto Jansson. "È qui che l'approccio metagenomico è stato davvero un vantaggio."

Quasi tutto ciò che circonda l'attuale ambiente di Jansson è grande e audace: i 600 acri del campus PNNL disseminato di sicomoro che si riversano nella parte orientale di Washington, l'infinito cielo blu che può vedere attraverso la sua finestra panoramica, la macchina di sequenziamento del gene del frigo dove la sua squadra deposita campioni di suolo . Ma, come sempre, ciò che spinge Jansson è il richiamo del microscopico e dell'invisibile: la sfida di mappare i contenuti del microbioma del suolo, una comunità globale brulicante le cui funzioni non sono mai state completamente comprese. "Suolo", disse Jansson, facendo un sorriso, "è l'ultimo sistema complesso."

Janet Jansson in una spedizione in Groenlandia. Per gentile concessione di Janet Jansson

La prateria sotterranea
Una volta che la metagenomica ha iniziato ad aprire un nuovo mondo sotterraneo agli scienziati del suolo, Jansson si è trovata di fronte a una nuova serie di sfide. La portata di questo campo emergente che lei aveva contribuito a creare era immensa: un singolo cucchiaino di terreno può contenere decine di migliaia di specie e ci sono forse milioni di specie in tutto il mondo che non sono ancora state scoperte. Per affrontare l'incredibile compito di comprendere la loro funzione, nel 2010 ha fondato una joint venture chiamata Earth Microbiome Project, insieme a Rob Knight dell'Università della California, San Diego, e Jack Gilbert del Argonne National Laboratory di Argonne, Ill. Il progetto mira a catalogare 200.000 campioni ricchi di microbi da località di tutto il mondo. (Come l'anno scorso, aveva analizzato più di 30.000 campioni.) Ma Jansson sapeva anche che per scavare davvero in profondità, doveva prima di tutto restringere la vertiginosa serie di possibilità di ricerca a una manciata che poteva affrontare nel giro di una vita.

Per iniziare, lei e il suo team hanno iniziato a studiare i terreni della prateria che dominano gran parte del cuore americano. Migliaia di microbi del suolo attorno alle radici delle graminacee aiutano la Grande Prateria del Midwest a immagazzinare più carbonio di qualsiasi altra regione negli Stati Uniti continentali. Producendo proteine ​​che tagliano e ricombinano le molecole di anidride carbonica, questi microbi lavorano in tandem con le erbe per catturare il biossido di carbonio atmosferico e trasformarlo in una sostanza biologica solida e ricca di carbonio che viene immagazzinata sottoterra. Questo è un enorme vantaggio per l'umanità, perché più anidride carbonica può immagazzinare un paesaggio, meno sarà lasciato come un gas serra che guida il riscaldamento planetario.

Ma dal momento che oltre il 90% di tutti i batteri del suolo non possono essere coltivati ​​in laboratorio, i ricercatori sono da tempo incerti su come contribuiscono al ciclo del carbonio. Un'analisi metagenomica di questi microbi della prateria, secondo Jansson, aiuterebbe a rivelare la portata del loro coinvolgimento nello stoccaggio del carbonio e illuminerà se le precipitazioni e la coltivazione della terra umana cambiano tale ruolo.

La squadra di Jansson si aprì a ventaglio attraverso il terzo centrale del paese per vedere quali novità microbiche potevano trovare. Sui siti di campagna in Iowa, Kansas e Wisconsin, hanno prelevato campioni di terreno utilizzando strumenti chiamati tubi cavi cor-po lunghi che erano progettati per tagliare il terreno. Quando il corer emerge, tira su un campione a forma di tronco con tutti i suoi strati - e, idealmente, i suoi microorganismi - intatti. Il pezzo di terra viene quindi conservato su ghiaccio secco e rispedito al laboratorio. Lì, i tecnici sequenziano il DNA e l'RNA del campione.

Una volta completato questo processo, gli scienziati del progetto hanno una buona idea di quali geni microbici sono contenuti in ogni campione e quali sono i lavori biologici eseguiti dai microbi. Se un campione di suolo contiene geni batterici che producono enzimi utilizzati per convertire l'anidride carbonica dall'atmosfera in carbonio solido, e questi geni sono attivi, i ricercatori possono concludere che i microbi all'interno del campione stanno attivamente conservando carbonio.
In ogni sito, il team di ricerca ha campionato terreno naturale e indisturbato della prateria, oltre a terreni coltivati ​​da molti anni. I campioni sequenziati hanno rivelato che la sporcizia originaria della prateria conteneva un diverso mix di microbi provenienti dal terreno coltivato, che in parte può essere dovuto ai fertilizzanti che vengono utilizzati durante l'agricoltura. "Quando abbiamo esaminato questi confronti, c'erano forti firme microbiche, quasi come un biomarker di coltivazione", ha detto Jansson. Sospetta che ci siano differenze nel modo in cui i microbi immagazzinano carbonio nei terreni nativi e coltivati, argomento che intende esplorare ulteriormente nelle ricerche future.

La tundra ghiacciata
Nel frattempo, Jansson e il suo team stavano esplorando anche i terreni dell'Artico, uno dei climi più mutevoli del mondo. Da molto tempo, Jansson era curioso di sapere come questi rapidi cambiamenti di temperatura avessero influenzato la comunità microbica sotterranea e se questi cambiamenti avessero effetti collaterali sorprendenti. "C'è così tanto carbonio organico intrappolato nel permafrost", ha detto, "e non sappiamo davvero cosa succederà quando il clima si scalda". All'inizio del suo lavoro, Jansson sospettava che le tendenze del riscaldamento potessero attivare processi batterici che si rompono giù immagazzinato carbonio, rilasciandolo nell'atmosfera e alimentando il cambiamento climatico. Ma dal momento che non sapeva per certo, decise di studiare in che modo il mix di comunità microbiche variava in tre diversi tipi di terreno dell'Alaska: congelamento del permafrost, suolo superficiale che congela e scongela con il variare delle stagioni e terreno di torbiera relativamente caldo e saturo d'acqua.

Come sospettava, Jansson trovò sostanziali differenze tra le comunità microbiche in questi luoghi. Nel complesso, c'erano pochi geni e proteine ​​nei campioni di permafrost. Ma nello strato di congelamento e scongelamento, il sequenziamento ha mostrato che i batteri all'interno dei campioni di terreno stavano producendo alcune proteine ​​intriganti, inclusi enzimi che tagliano lunghe catene di molecole di carbonio, come la cellulosa dalle piante, in zuccheri più brevi e semplici che i batteri possono usare come carburante. Quando ciò accade, il carbonio precedentemente "bloccato" viene rilasciato nuovamente nell'atmosfera. "Quando [il terreno] si scioglie", ha detto Jansson, "inizia a passare più alla decomposizione". Nei terreni più caldi, in altre parole, i processi di rottura del carbonio batterico iniziano a mostrarsi chiaramente nei dati di sequenziamento. Così, come hanno temuto alcuni osservatori, le temperature di riscaldamento potrebbero rilasciare carbonio precedentemente inerte dal terreno. Ciò solleva la preoccupante prospettiva di un rilascio di carbonio in fuga mentre le temperature continuano a salire.

La cosa più sorprendente è che il campione di suolo più caldo nello studio di Jansson, il terreno paludoso spugnoso, ha rivelato una serie di geni e proteine ​​microbici coinvolti nella produzione di metano, un gas a effetto serra più di 20 volte più potente dell'anidride carbonica. Una di queste proteine ​​era la metil-coenzima M reduttasi, che è coinvolta nella trasformazione del biossido di carbonio in metano. Questa scoperta potrebbe implicare che le tendenze al riscaldamento spingeranno i microbi locali a produrre maggiori quantità di metano. Successivamente, Jansson intende indagare se i disgeli rapidi influenzano le popolazioni di microbi del suolo in modo diverso rispetto ai disgeli più graduali, poiché entrambi probabilmente diverranno banali quando il pianeta si scalda.

Terroir batterico
I microbi del suolo non sono solo processori di carbonio, come rivela il lavoro dei colleghi di Jansson. Le vaste comunità microbiche non solo influenzano la qualità dell'aria e le temperature globali, ma possono anche influenzare il gusto e la qualità del cibo che coltiviamo. Thomas Mitchell-Olds della Duke University voleva vedere se le popolazioni microbiche dentro e intorno alle radici delle piante potevano influenzare il modo in cui le piante maturavano. Lui e la sua studentessa Maggie Wagner hanno prelevato campioni di terreno da quattro diversi siti di raccolta nell'Idaho rurale e da microbi isolati di ciascun campione. Hanno poi inoculato vasi pieni di terreno con questi quattro campioni microbici e piantato un ceppo comune di senape, Boechera stricta, in essi. Alcuni tipi di microbi nel terreno sembravano velocizzare il tempo di fioritura delle piante, il team ha trovato, mentre altri, come i membri del phob di Proteobacteria, lo hanno rallentato.

Lo studio ha sottolineato quanto l'attività microbica sia necessaria per la salute e la produttività delle piante. "I microbi del suolo erano già stati collegati alla tolleranza alla siccità, al tasso di crescita e ad altri aspetti delle prestazioni dell'impianto. Il nostro esperimento ha aggiunto il tempo di fioritura a questa lista ", ha detto Mitchell-Olds. "Il potenziale per i microbi del suolo di modificare il tempo di fioritura - se migliorare la resa, tampone contro il cambiamento climatico, o entrambi - è intrigante." Una simile prospettiva potrebbe interessare non solo gli agricoltori che cercano di aumentare la loro taglia, ma anche, diciamo, i viticoltori in California Napa Valley, che sa come il tempo di fioritura drammatico può influenzare lo sviluppo delle uve e il gusto della vendemmia risultante. Il famoso terroir di posti come Napa , infatti, può sorgere da migliaia di microbi che canticchiano in un'armonia non vista.

Altri studi di sequenziamento hanno illustrato il ruolo fondamentale svolto dai microbi del suolo nella decomposizione degli inquinanti. Quando gli scienziati dell'Università di Delhi in India hanno prelevato campioni di terreno da una discarica di pesticidi e li hanno confrontati con campioni provenienti da un sito di controllo più pulito, hanno riferito che il terreno del sito di rifiuti conteneva una maggiore concentrazione di sequenze di geni da alcuni gruppi batterici, come Pseudomonas, Novosphingobium e Sphingomonas, che sono noti per degradare pesticidi comuni come esaclorocicloesano. I microbi, a quanto pare, possono adattarsi per aiutare i paesaggi ripresi a riprendersi, il che presenta l'eccitante possibilità di schierare gli insetti negli sforzi di biorisanamento. "I terreni sono un cuscinetto per tutti i tipi di insulti al nostro ecosistema", ha detto Vanessa Bailey, una microbiologa che lavora a stretto contatto con Jansson al PNNL.

I ricercatori che lavorano al progetto Great Prairie sono riusciti a compilare circa 1, 8 trilioni di basi di dati sul DNA, ma Jansson pensa che questi dati descrivano solo una frazione delle comunità microbiche nel terreno delle praterie, dato che il suolo contiene tra 1 e 10 miliardi di cellule singole per grammo. "Siamo ancora alla fase di scoperta", ha detto. "Abbiamo molto da fare solo per assemblare un metagenoma del suolo." Lei e altri scienziati stanno provando varie tecniche per semplificare il processo di analisi genetica, come scartare sequenze di geni meno comuni in un particolare campione per concentrarsi su quelle più prevalenti.

Più Jansson e i suoi colleghi sono in grado di conoscere comunità di microbi precedentemente sconosciute, meglio saranno in grado di prevedere come queste comunità reagiranno a condizioni diverse - siccità, clima più mite o inondazioni, solo per dare il via alla lista. Sperano di costruire queste previsioni in modelli informatici che illustrino quale attività microbica potrebbe produrre un dato cambiamento ambientale, così come i risultati attesi di tale attività. Tali modelli potrebbero aiutare i pianificatori ambientali a coltivare miscele microbiche che raggiungono l'obiettivo desiderato, che potrebbe essere terreno che blocca giganteschi di carbonio atmosferico, o che elimina facilmente l'inquinamento o che produce i tipi di vite che i viticoltori sognano. "Avendo conoscenza dei microbi presenti nello scenario migliore, " ha affermato Jansson, "è possibile modificare il sistema per ottimizzare quella combinazione di microbi".

I nuclei di terreno vengono trasportati al laboratorio, dove i ricercatori possono analizzare le popolazioni di microbi densi. Per gentile concessione di Vanessa Bailey

Ma raggiungere il giusto equilibrio microbico non è sempre così semplice come inoculare il suolo con determinati ceppi di batteri. "Se le condizioni sono favorevoli per i microbi che vuoi prosperare, prospereranno", ha detto Jansson. "Se semini e le condizioni non sono favorevoli, moriranno". L'approccio ideale, quindi, sarà spesso quello di progettare il tipo di paesaggio a cui i microbi benefici si affollano naturalmente. Nelle aree di riscaldamento che crescono durante l'anno, questo potrebbe significare garantire che ci sia abbastanza acqua mobile ricca di ossigeno, che renderebbe l'area meno ospitale ai microbi anaerobici che ruttano grandi quantità di metano. Nelle aree coltivate della Grande Prateria, gli agricoltori possono scegliere fertilizzanti che preservano la diversità microbica naturale, producendo abbondanti raccolti alimentari e massimizzando la cattura di carbonio dall'atmosfera.

Tuttavia, intuizioni come queste sono graduali e difficili da vincere, e Jansson sa che i futuri scienziati dovranno prendere in mano la causa di scoprire tutti i modi in cui i microbi del suolo influenzano il resto del pianeta. Per ora, Jansson apprezza il ruolo svolto dall'ispettore del suolo, mappando la varietà e l'ampiezza delle comunità microbiche in modo che altri possano beneficiare un giorno della conoscenza. "Sappiamo di più sul movimento dei corpi celesti", ha detto Leonardo da Vinci, "che sul terreno sotto i piedi". Più di 500 anni dopo, Jansson vuole essere lo scienziato che alla fine lo dimostra che si sbaglia.

Ristampato con il permesso di Quanta Magazine, una divisione editoriale indipendente di SimonsFoundation.org la cui missione è quella di migliorare la comprensione pubblica della scienza coprendo gli sviluppi della ricerca e le tendenze in matematica e scienze fisiche e della vita.