Riflettori puntati sulle spugne della «zona crepuscolare» e sui relativi coabitanti microbici
Gli organismi viventi sono una fonte ricca di prodotti naturali da cui gli esseri umani possono trarre vantaggio. Quelli farmaceutici, nutraceutici e per la cura della pelle rientrano tra i numerosi prodotti che presentano funzionalità sempre migliori e più naturali grazie alle biomolecole. Con il sostegno del programma di azioni Marie Skłodowska-Curie (MSCA) e avvalendosi di approcci genomici ad alta tecnologia, il progetto COSMos ha fornito una serie di dati senza precedenti che indicano le potenzialità come prodotti naturali delle spugne mesofotiche scarsamente studiate e dei microbi che vivono al loro interno.
Una profonda immersione nell’inesplorata zona mesofotica
Secondo Michelle Schorn, borsista individuale MSCA operante nel laboratorio di Detmer Sipkema presso l’Università di Wageningen, «le spugne sono rinomate per l’incredibile diversità chimica e i ricchi microbiomi (microbi che vivono nelle spugne), che forniscono costantemente i prodotti naturali più nuovi tra tutti gli invertebrati marini». Le spugne vengono raccolte prevalentemente dai sommozzatori in acque poco profonde. La zona mesofotica, letteralmente «zona della luce media», situata da 30 a 150 metri sotto la superficie dell’acqua, è di difficile accesso e per lo più inesplorata. Un invito fortuito da parte di Adriaan Schrier, di Substation Curaçao, ad unirsi a una spedizione di campionamento per un’indagine sulla zona mesofotica, ha prodotto circa 60 preziosi campioni di spugne mesofotiche.
Genomi assemblati con metagenoma e cluster di geni biosintetici
Schorn si è messa al lavoro avvalendosi del sequenziamento del metagenoma, un metodo di analisi genomica indipendente dalla coltura che consente l’analisi dei geni combinati di organismi coesistenti in una comunità, attraverso genomi assemblati con metagenoma (MAG, Metagenome-Assembled Genomes). La ricercatrice ha impiegato il sequenziamento metagenomico per focalizzare il proprio «obiettivo» sui cluster di geni biosintetici, ovvero geni fisicamente raggruppati in cluster che codificano enzimi e che cooperano per creare molecole o strutture chimiche, alla base della maggior parte dei prodotti naturali. «Meno dell’1 % dei nostri cluster di geni biosintetici corrispondevano a quelli già noti, il che ha messo in evidenza l’aspetto innovativo dei nostri set di dati», dichiara Schorn. Sipkema aggiunge: «È stato straordinario rendersi conto che quasi tutte le specie di spugne che vivono a una profondità di 150 metri sono diverse da quelle che osserviamo nelle acque più superficiali.» COSMos ha analizzato i metagenomi di cinque spugne mesofotiche, i rispettivi simbionti microbici e le potenzialità intrinseche come prodotto biosintetico naturale. Sono state sequenziate altre tredici spugne dalla conclusione del progetto. Dai cinque metagenomi originali, sono stati assemblati 435 MAG, che rappresentano 435 genomi derivati da microbi non coltivati. COSMos ha quindi fornito alla comunità scientifica una visione senza precedenti sulle capacità genomiche dei simbionti delle spugne mesofotiche. Oltre ai dati genomici, che saranno resi pubblici, sono stati identificati migliaia di cluster di geni biosintetici.
Dai genomi alla produzione di molecole: l’espressione eterologa
«Per la prima volta, siamo stati in grado di osservare le comunità microbiche di queste spugne mesofotiche poco studiate e scoprire nuovi tipi di cluster di geni biosintetici. Mettendo in relazione i geni e i relativi prodotti molecolari, stiamo iniziando a decifrare il linguaggio chimico degli abitanti delle spugne», aggiunge Schorn, che ora si sta concentrando sull’espressione eterologa di cluster biosintetici già noti e di nuova identificazione. L’espressione eterologa da batteri non coltivati, finora raramente condotta con successo, eliminerebbe la raccolta di enormi quantità di animali e consentirebbe una produzione sostenibile su larga scala. «Inoltre, se scoprissimo una molecola con applicazioni terapeutiche, ciò metterebbe in evidenza la necessità di preservare aree sottovalutate dell’oceano come quella mesofotica», aggiunge Schorn. Schorn e Sipkema stanno spingendo in avanti le frontiere della ricerca sui prodotti naturali di origine marina e delle relative applicazioni, svelando le capacità genomiche che si celano nelle enigmatiche spugne mesofotiche.
Parole chiave
COSMos, spugna, mesofotica, cluster di geni biosintetici, metagenoma, espressione eterologa, MAG, genomi assemblati con metagenoma, microbioma
