Gli Estremofili

1. Riccardo Stagni 18 Maggio 2009 Gli Estremofili

2. Outline of the Talk • Cosa sono? • Interesse Astrobiologico • Possibili candidati nel sistema solare? • Panspermia • Tipi di estremofili • Condizioni fisiche • Condizioni chimiche • Esempi • Deinococcus radiodurans • Funghi radiotrofici • Cupriavidus metallidurans

3. Cosa sono? • Gli estremofili (dal latino extremus e dal greco philia) sono organismi in grado di sopravvivere in condizioni proibitive dal punto di vista fisico e chimico, dove la maggior parte degli organismi viventi sulla terra (mesofili) sopravviverebbe con grandi difficoltà o addirittura andrebbe in contro a morte certa. • Essendo una classificazione basata sulla capacità di sopravvivenza, è ortogonale alle normali classificazioni biologiche, che si rifanno alle linee genetiche. In passato si pensava che solo i microbi appartenenti al dominio(*) degli Archea fossero estremofili, ma col passare del tempo si sono scoperti sia archei mesofili, sia estremofili appartenenti ai dominii Bacteria e Eukaryota. • (*) o regno, a seconda della classificazione adottata

4. Interesse Astrobiologico • Gli estremofili sono di particolare interesse per l'astrobiologia in quanto molti di questi organismi sono in grado di sopravvivere in ambienti simili a quelli extraterrestri noti. Inoltre la loro scoperta sottolinea l'enorme adattabilità delle forme di vita primitive e quindi aumenta le possibilità di trovare forme di vita (almeno microbiche) nel Sistema Solare. • In particolare, i batteri chemioautotrofi, che ottengono l'energia per sopravvivere dall'ossidazione di composti inorganici, potrebbero essere particolarmente adatti ad ambienti alieni.

5. Possibili candidati nel Sistema Solare • Marte potrebbe avere regioni, sotto profondi strati di permafrost, capaci di ospitare forme di vita endolite (litotrofi in grado di vivere dentro a rocce, coralli, gusci animali) • Gli alofili potrebbero riempire parecchie nicchie ecologiche su altri pianeti: l'acqua liquida, alle temperature e pressione caratteristiche della superficie marziana, dovrebbe essere altamente salina(Landis 2001, doi:10.1089/153110701753198927) • Gli oceani sotterranei di Europa potrebbero ospitare forme di vita in corrispondenza di sorgenti idrotermali, esattamente come succede negli oceani terrestri

6. Batteri Endoliti • Lo strato verde è una forma di vita endolita e vive dentro alla roccia, alcuni millimetri dalla superficie. La roccia, trovata in Antartide, è stata spaccata per mostrarla.

7. Panspermia • La grande resistenza di alcuni estremofili, spore batteriche e persino singoli spezzoni di DNA, avevano fatto pensare che molecole organiche, semplici o complesse, o addirittura semplicissime forme di vita, potessero essere state originate al di fuori della Terra, "fecondandola" dopo essere sopravvissuti a lunghissimi viaggi interstellari. • Tuttavia, sono pochissime le specie che tollerano le radiazioni altamente ionizzanti, frequentemente incontrate al di fuori dei protettivi campi magnetici planetari(*), rendendo difficile la giustificazione dei meccanismi panspermatici. • (*) o solari

8. Tipi: Condizioni fisiche • temperatura: ipertermofili (> 80°C)(*) , termofili (60-80°C), psicrofili/criofili (< 15°C) • pressione: barofili/piezofili(**) • gravità: non osservati (ipo/ipergravitofili?) • radiazione: radioresistenti • vuoto: generalmente stati quiescenti(***) (*) Pyrolobus fumarii, 113°C (**) il record è di un batterio capace di sopravvivere fino a circa 130MPa (***) insetti, microbi, semi, spore

9. Tipi: Condizioni chimiche • pH: alcalofili/basofili (pH>9), acidofili(*) • essiccamento: xerofili(**) • salinità: alofili (2-5M NaCl) • zuccheri: osmofili • ossigeno: anaerobi (intolleranti), microaerofili (basse concentrazioni) • CO2: Cyanidium caldarium (CO2 pura) • metalli: metallotolleranti (*) Cyanidium caldarium, Ferroplasma sp., entrambi pH~0 (**) anche altri, ma quiescenti

10. Ambienti alofili Ridente paesaggio nel Mar Morto

11. Sorgenti idrotermali Black smoker dovuto a una sorgente idrotermale di una dorsale oceanica Sono stati osservati batteri chemiosintetici a 2500 metri di profondità nelle vicinanze del Messico. La minima luminosità della lava è sufficiente per fare fotosintesi e far partire la catena alimentare. Unico caso al mondo di fotosintesi non solare.

12. Deinococcus radiodurans • poliestremofilo (resiste a freddo, disidratazione, vuoto, acidità) • radioresistente (fino a 5000 Gy senza accusare colpo, a 15000 Gy vitalità al 37%)(*) • genoma in due cromosomi circolari (quattro copie nell'organismo) • sottoprodotto della xerofilia? • Guinnes dei Primati 2008, batterio più resistente del mondo) (*) un uomo muore con 10 Gy

13. Funghi radiotrofici • scoperta recente(Dadachova+ 2007, doi:10.1371/journal.pone.0000457) • prime osservazioni come muffe nei dintorni di Chernobyl • usano la melanina per convertire i raggi gamma in energia (come la clorofilla) • costo metabolico?

14. Cupriavidus metallidurans • Cupriavidus metallidurans is a non-spore-forming bacillus which is adapted to survive several forms of heavy metal stress. Therefore, it is an ideal subject to study heavy metal disturbance of cellular processes. This bacterium shows a unique combination of advantages not present in this form in other bacteria. http://en.wikipedia.org/wiki/Ralstonia_metallidurans http://genome.jgi-psf.org/ralme/ralme.home.html

15. I Tardigradi Anche fra gli Eucarioti vi sono degli estremofili. • I Tardigradi hanno un loro • Philum ricco di ~800 specie. Resistono: al disseccamento (fino • al 3% dei liquidi corporei); a radiazioni 1000 volte letali per l'uomo;all'immersione in alcol puro od in etere; alla mancanza • di ossigeno; a variazioni di temperatura da +151 °C a -253°C.

16. Bibliografia • Bacteria thrive at stunning depths, Roxanne Khamsidoi:10.1038/news050221-11 • "Gli estremofili", Le Scienze, 346, 06/1997, pp. 78-85 • http://www.genomenewsnetwork.org/articles/12_03/geobacter.shtml • http://www.daviddarling.info/encyclopedia/ETEmain.html • Wikipedia inglese • Tutte le immagini vengono da wikipedia ad eccezione di quelle rappresentanti i funghi radiotrofici (proveniente dall'articolo pubblicato su PLoS) e il Cupriavidus metallidurans (trovata nel sito indicato sotto l'immagine)