Virus negli abissi marini - Intervista a Gian Marco Luna ed Elena Lara dell’ISMAR-CNR


Una ricerca italo-spagnola che coinvolge l’Ismar-Cnr e l’Icm-Csic (Institut de Ciències del Mar - Consell Superior d’Investigacions Científiques) di Barcellona, pubblicata sulla rivista Science Advances dimostra che negli oceani profondi le infezioni virali del plancton rilasciano ogni anno 145 gigatonnellate di carbonio organico per la catena alimentare dell’ecosistema. I risultati aiuteranno a migliorare le stime del ciclo globale del carbonio sulla terra, utili per la comprensione dei cambiamenti climatici.

Abbiamo chiesto a Gian Marco Luna ed Elena Lara (ricercatori e autori dello studio) di spiegarci nel dettaglio l'importanza del rilascio del carbonio organico per l'ecosistema oceanico.

Gian Marco LunaImmagine 1 - Gian Marco Luna

 

1) Gian Marco Luna è ricercatore presso l’Ismar-Cnr di Ancona e coautore dello studio, mentre Elena Lara è una ricercatrice spagnola attualmente in forza all’Ismar-Cnr di Venezia ed associata al Icm-Csic (Institut de Ciències del Mar - Consell Superior d’Investigacions Científiques) di Barcellona ed è il primo autore dello studio. Qual è nel dettaglio il vostro lavoro e lo specifico ambito di ricerca? Durante la vostra carriera come ricercatori qual è stato il motivo (o i motivi) che vi hanno spinto a iniziare lo studio degli ecosistemi acquatici e dei microrganismi che popolano tali ambienti?

Siamo entrambi microbiologi marini e ci occupiamo di studiare la vita invisibile che popola gli oceani. I microbi (batteri, virus), seppur invisibili ad occhio nudo, rappresentano una componente fondamentale per sostenere la vita in mare, e far si che sia popolato da quell’esplosione di vita che tutti conosciamo, fatta di pesci, alghe ed una miriade di altre forme di vita visibili. Conosciamo ancora molto poco di questa infinita massa di vita microscopica, e di come il cambiamento climatico e l’impatto antropico li influenzeranno. Dunque, lo studio di questi invisibili abitanti dell’oceano rappresenta una sfida molto stimolante, e l’idea di contribuire a produrre nuova conoscenza in un campo quasi inesplorato delle scienze ha certamente influenzato la nostra scelta.

Immagine 2 - Elena Lara Elena Lara

2) Nel dibattito pubblico tra persone non addette ai lavori quando si parla di virus e delle infezioni virali per ovvi motivi esiste una percezione negativa su questi argomenti, non sempre però i virus sono da considerarsi dannosi. Ci spiegate cosa accade negli abissi marini quando i virus colpiscono gli organismi acquatici? Soprattutto quali organismi vengono attaccati dai virus e perché ciò accade?

Certamente, la percezione generale dei non addetti ai lavori riguardo i virus è spesso riferita a quei virus “cattivi” che causano malattie nell’uomo, pensiamo ad esempio ai virus dell’influenza, oppure all’agente eziologico della varicella, o al virus causa del fastidiosissimo herpes alle labbra. Per non parlare di quei virus in grado di causare malattie ben più importanti e letali. I virus marini oggetto delle nostre ricerche nelle profondità oceaniche non infettano l’uomo, ma sono dei “batteriofagi”, in grado di infettare i batteri marini, i più abbondanti abitanti dell’oceano il cui fondamentale ruolo di “spazzini” nella rete alimentare è noto da qualche decennio. L’infezione dei batteri da parte dei virus è un processo chiave per il funzionamento dell’oceano. Infatti, sebbene i virus siano in grado di ucciderli, dunque l’effetto potrebbe a prima vista essere interpretato come negativo, la lisi cellulare che ne consegue ne rilascia il prezioso contenuto, fatto di macromolecole di elevato potere nutrizionale, che a loro volta diventa nutrimento per altri tipi di batteri eterotrofi, in grado di trasformarlo nuovamente in materia vivente. In questo modo si perpetua il ciclo della vita nell’oceano, e il carbonio è in grado di fluire dai microbi fino ai pesci, attraverso la rete alimentare.

3) Recentemente il vostro studio “Unveiling the role and life strategies of viruses from the surface to the dark ocean” frutto della ricerca italo-spagnola che coinvolge l’Ismar-Cnr e l’ICM-CSIC è stato pubblicato sulla rivista Science Advances. I risultati ottenuti hanno dimostrato che negli oceani profondi le infezioni virali del plancton rilasciano ogni anno 145 gigatonnellate di carbonio organico per la catena alimentare dell’ecosistema. Ci spiegate tecnicamente come avviene il rilascio del carbonio organico, e perché è così importante tale processo?

Il rilascio del carbonio avviene tramite la lisi delle cellule batteriche infettate dai virus. In particolare, la modalità di infezione che abbiamo riscontrato come dominante nell’oceano profondo, modalità che definiamo “ciclo litico”, causa la morte e l’esplosione della cellula infetta, con conseguente rilascio del materiale che compone la cellula, fatto di proteine, carboidrati ed altre macromolecole che vengono quindi rimesse in circolo nell’ecosistema. Persino il DNA della cellula infettata rappresenta una potenziale fonte di nutrimento per altri microbi, che sono in grado di scomporlo e di utilizzarlo come cibo. Si tratta di un processo che avviene ad una scala microscopica (un batterio ha dimensioni di un micrometro, ed un virus di decine di nanometri), ma se calcolato sulla scala oceanica diventa un numero impressionante. Basta dire che, ogni secondo, nell’oceano globale i virus infettano centinaia di triliardi di microrganismi…

 

4) Prima del vostro studio come veniva studiato il ruolo dei virus presenti negli oceani di tutto il mondo?

I primi studi sui virus marini risalgono ai primi anni ‘80, ed erano studi basati principalmente sull’osservazione (tramite il microscopio elettronico) ed il conteggio dei virus nei campioni d’acqua di mare. Negli anni successivi numerosi gruppi di ricerca hanno approfondito le ricerche sui virus marini, studiandone a fondo la distribuzione nell’oceano globale e i processi di infezione. Tuttavia pochissimi studi si sono concentrati sull’oceano profondo, ed in particolare sullo strato batipelagico (compreso tra i mille ed i quattromila metri di profondità) che, seppure lontano dalla superficie, rappresenta l’ecosistema più esteso del pianeta. Il nostro studio rappresenta uno dei primi studi effettuati su scala globale, dalla zona illuminata dell’oceano sino alle sue profondità.

 

5) Quali sono gli strumenti/mezzi necessari per operare fino a 4000 metri di profondità ed effettuare i prelievi dei campioni d’acqua necessari alle vostre analisi di laboratorio?Sono stati utilizzati dei ROV (Remotely Operated Vehicle, veicoli subacquei comandati a distanza)?

Non è banale raccogliere campioni di acqua dall’oceano profondo. Innanzitutto, è necessario disporre di una nave oceanografica in grado di trasportare i ricercatori nei siti di studio. Queste navi devono essere dotate di risorse umane e di strumentazioni di alta tecnologia, in grado di operare in sicurezza. Nel nostro studio sono state utilizzate navi oceanografiche spagnole. E’ importante che ogni Paese, Italia compresa, continui ad investire risorse economiche per supportare le infrastrutture e le navi necessarie per condurre ricerche oceanografiche. Le navi oceanografiche sono infrastrutture fondamentali per studiare e conoscere l’oceano, un mondo ancora quasi sconosciuto, e le ricadute di questo tipo di studi sono molteplici. Per prelevare i campioni abbiamo utilizzato un sistema di campionamento “CTD-rosette”, equipaggiato con una sonda multiparametrica (CTD) utile a misurare le principali variabili chimico-fisiche dell’acqua (ad esempio la temperatura e la salinità) e con bottiglie di tipo Niskin, con le quali abbiamo raccolto i campioni d’acqua. Questi sono stati analizzati in parte a bordo della nave, ed in parte nei laboratori una volta giunti a terra al termine della spedizione.

Immagine Ctd e Rosette in acqua: immagine di un sistema di campionamento 'Ctd-rosette' equipaggiato con una sonda multiparametrica (Ctd) utile a misurare le principali variabili chimico-fisiche dell’acqua (ad esempio la temperatura e la salinità) e con bottiglie di tipo Niskin utilizzate per raccogliere campioni dalle profondità oceaniche. (Credits: Gian Marco Luna).

Immagine 3 - Ctd e Rosette in acqua: immagine di un sistema di campionamento 'Ctd-rosette' equipaggiato con una sonda multiparametrica (Ctd) utile a misurare le principali variabili chimico-fisiche dell’acqua (ad esempio la temperatura e la salinità) e con bottiglie di tipo Niskin utilizzate per raccogliere campioni dalle profondità oceaniche. (Credits: Gian Marco Luna).

 

6) Durante la raccolta dei campioni d’acqua avete notato differenze per quanto riguarda l’abbondanza virale rispetto alla profondità di campionamento? I campioni prelevati in superficie rispetto a quelli prelevati negli strati più profondi degli oceani (200 metri, 1000 metri o 4000 metri) hanno mostrato differenze significative nella quantità e nel tipo di virus? Qual è l’impatto dell’assenza di luce solare sui virus che vivono negli strati oceanici più profondi?

L’abbondanza di virus diminuisce con l’aumentare della profondità. Si tratta di un pattern distributivo già conosciuto nella letteratura scientifica, che il nostro studio ha confermato. Gli ambienti profondi sono ambienti che potremmo definire “estremi”, caratterizzati da assenza di luce, temperature molto basse e pressioni elevatissime. Tutte queste condizioni ambientali influenzano in maniera significativa gli organismi che vi abitano, i quali devono ricorrere a strategie adattive per compensarne gli effetti. Stiamo da poco completando uno studio, basato sul sequenziamento massivo del DNA virale, per capire quali geni virali e quali meccanismi molecolari sono dominanti nell’oceano profondo.

 

7) Quali sono gli elementi/fattori che influiscono sulla produzione dell’abbondanza virale negli oceani? La massa d’acqua degli oceani influisce sull’abbondanza virale?

Tra i fattori più importanti, certamente ci sono la disponibilità di ospiti. I virus sono entità acellulari che necessitano di un ospite cellulare (e.g., un batterio) per poter vivere e riprodursi. Altri fattori che influenzano i virus, in maniera diretta o indiretta, sono le condizioni chimico-fisiche dell’acqua (temperatura, salinità) e la quantità di risorse alimentari disponibili per supportare il metabolismo degli ospiti. Certamente i movimenti di circolazione delle masse d’acqua possono influenzare la distribuzione di tutti gli organismi planctonici, ovvero quegli organismi che trascorrono la vita sospesi nella colonna d’acqua, tra cui anche i virus oggetto delle nostre ricerche. E’ fondamentale individuare quei processi oceanografici che determinano il trasporto dei microbi attraverso l’oceano globale, e capire quali meccanismi legano lo strato più superficiale dell’oceano alle sue profondità. Ed anche, capire in che modo il cambiamento climatico che, come ben noto, sta influenzando profondamente la circolazione oceanica, potrà determinare cambiamenti sulla biologia e l’ecologia degli organismi marini.

 

8) Quali tecniche/strumenti sono stati utilizzati per calcolare la quantità di cellule e di virus nei campioni d’acqua oceanica?

Rispetto alla maggior parte degli studi precedenti, per contare i virus ci siamo basati, invece che sul microscopio ad epifluorescenza tradizionalmente utilizzato, su uno strumento chiamato citometro a flusso. La citometria a flusso è una tecnica laser molto utilizzata in numerosi campi della biologia che, tra i suoi molteplici usi, permette il rilevamento ed il conteggio delle cellule microbiche e dei virus in campioni d’acqua oceanica, in una maniera più rapida e più riproducibile rispetto al tradizionale conteggio effettuato al microscopio.

 

9) Attraverso il vostro studio quali risultati avete conseguito?

Il principale risultato del nostro studio è stato quello di dimostrare che i virus giocano, negli abissi marini, un ruolo fondamentale per il funzionamento dell’oceano profondo, e che questo ruolo è più importante di quanto ritenuto in precedenza. Lo abbiamo dimostrato circumnavigando l’oceano, ed analizzando un set che comprendeva oltre mille campioni raccolti negli oceani del globo. Inoltre, le nostre stime relative al carbonio liberato dall’infezione virale aggiungono un piccolo contributo, che ancora mancava per l’oceano profondo, al bilancio globale del ciclo del carbonio nei vari comparti della biosfera, potenzialmente utile per la sua migliore comprensione.

 

10) Quali sono le questioni irrisolte del vostro studio? Attraverso i vostri risultati sarà possibile comprendere meglio i cambiamenti climatici? In che modo?

Conosciamo ancora poco dell’ecologia virale negli ambienti marini profondi. Il nostro studio aggiunge solamente un piccolissimo tassello al bagaglio di conoscenze disponibili. E’ necessario condurre dunque ancora numerose ricerche, per capire quali virus popolano gli oceani, quali specie di microbi vengono infettate, e quali processi ambientali legare le comunità di superficie con quelle degli abissi. Sappiamo che il cambiamento climatico sta influenzando in maniera profonda l’oceano, le sue dinamiche e quelle di tutte le sue componenti viventi. Studiare anche le comunità di virus marini potrà fornire ulteriori risposte per capire la risposta dell’oceano all’impatto dell’uomo, e per pianificare possibili strategie in grado di mitigarlo.



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