I batteri, chiamati SAR11, sono le forme di vita più abbondanti nell’acqua marina superficiale in tutto il mondo. In alcune regioni rappresentano fino al 40% di tutte le cellule batteriche marine. Il loro dominio deriva dalla razionalizzazione del genoma, una strategia evolutiva in cui gli organismi perdono geni per conservare energia in ambienti poveri di nutrienti.

Uno studio pubblicato in Microbiologia della natura ora mostra che questa estrema efficienza può anche creare gravi limitazioni.

« Lo straordinario successo evolutivo di SAR11 nell’adattarsi e nel dominare ambienti stabili e poveri di nutrienti potrebbe averli resi vulnerabili agli oceani che subiscono maggiori cambiamenti. Potrebbero essersi evoluti in una sorta di trappola », afferma Cameron Thrash, professore di scienze biologiche e scienze della Terra e autore corrispondente dello studio.

Adattamento con una debolezza incorporata

Per capire come il SAR11 risponde allo stress ambientale, i ricercatori hanno esaminato centinaia di genomi di SAR11. Hanno scoperto che molti ceppi mancano di geni normalmente responsabili della regolazione del ciclo cellulare, il sistema che controlla la replicazione del DNA e la divisione cellulare. Nella maggior parte dei batteri, questi geni sono essenziali per la normale crescita e sopravvivenza.

Quando le condizioni ambientali cambiano, l’assenza di questa regolamentazione sembra creare grossi problemi. Gli scienziati avevano già notato che le popolazioni SAR11 sono sensibili ai cambiamenti nell’ambiente circostante. Ciò che risalta in questo studio è il modo insolito in cui le cellule reagiscono sotto stress.

Invece di rallentare la crescita, molte cellule SAR11 hanno continuato a copiare il proprio DNA ma non sono riuscite a dividersi.

« La replicazione del loro DNA e la divisione cellulare si sono disaccoppiate. Le cellule hanno continuato a copiare il loro DNA ma non sono riuscite a dividersi correttamente, producendo cellule con un numero anomalo di cromosomi », afferma Chuankai Cheng, dottorando in scienze biologiche e autore principale dello studio. « La sorpresa è stata che sia emersa una firma cellulare così chiara e ripetibile. »

Perché il fallimento cellulare rallenta la crescita della popolazione

Le cellule con cromosomi in più spesso diventavano più grandi del normale e alla fine morivano. Anche quando i nutrienti erano prontamente disponibili, questi fallimenti riducevano la crescita complessiva della popolazione. Questa scoperta mette in discussione la credenza comune secondo cui i microbi prospereranno sempre quando il cibo diventa abbondante.

I risultati fanno luce anche su un vecchio enigma dell’ecologia oceanica. Le popolazioni di SAR11 spesso diminuiscono durante le fasi successive della fioritura del fitoplancton, un periodo caratterizzato dall’aumento dei livelli di materia organica nell’acqua.

« Sappiamo da molto tempo che questi organismi non sono particolarmente adatti alle fasi avanzate della fioritura del fitoplancton », afferma Thrash. « Ora abbiamo una spiegazione: gli stadi tardivi della fioritura sono associati ad aumenti di nuova materia organica disciolta che può disturbare questi organismi, rendendoli meno competitivi. »

Implicazioni per i cambiamenti climatici e la salute degli oceani

Lo studio comporta importanti implicazioni per comprendere come gli ecosistemi marini possono rispondere ai cambiamenti climatici. I batteri SAR11 svolgono un ruolo centrale nel ciclo del carbonio oceanico, aiutando a regolare il modo in cui il carbonio si muove attraverso le reti alimentari marine. La loro sensibilità al riscaldamento e agli improvvisi apporti di nutrienti potrebbe alterare l’equilibrio delle comunità microbiche man mano che le condizioni dell’oceano diventano meno stabili.

« Questo lavoro evidenzia un nuovo modo in cui il cambiamento ambientale può influenzare gli ecosistemi marini, non semplicemente limitando le risorse, ma interrompendo la fisiologia interna dei microrganismi dominanti », ha affermato Cheng. Man mano che la stabilità ambientale diminuisce, ha aggiunto, gli organismi con maggiore flessibilità normativa potrebbero ottenere un vantaggio.

I ricercatori intendono concentrarsi successivamente sull’identificazione dei processi molecolari alla base di queste interruzioni. Ottenere un quadro più chiaro di come funziona SAR11 è fondamentale, data la diffusione e l’influenza di questi batteri nell’oceano globale.

Informazioni sullo studio

Insieme a Cheng e Thrash, il gruppo di ricerca comprende Brittany Bennett, Pratixa Savalia, Hasti Asrari, Carmen Biel e Kate Evans dell’USC Dornsife, nonché Rui Tang dell’Università della California, San Diego.

Il lavoro è stato sostenuto dal premio Simons Foundation Investigator Early Career Investigator in Marine Microbial Ecology and Evolution e dal premio Simons Foundation Investigator in Aquatic Microbial Ecology.