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May 30, 2023

L'analisi longitudinale delle sorgenti termali delle Cinque Sorelle nel Parco Nazionale di Yellowstone rivela un ambiente termoalcalino dinamico

Scientific Reports volume 12, Articolo numero: 18707 (2022) Cita questo articolo 1369 Accessi 2 Dettagli metriche altmetriche La ricerca focalizzata sulle popolazioni microbiche delle sorgenti termoalcaline è stata

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La ricerca focalizzata sulle popolazioni microbiche delle sorgenti termoalcaline è stata guidata in gran parte dal desiderio di scoprire enzimi funzionali con applicazioni industriali in ambienti ad alto pH e ad alta temperatura. Sebbene diversi studi si siano concentrati sulla comprensione dell’ecologia fondamentale di queste sorgenti, i profili delle piccole molecole delle sorgenti termoalcaline sono stati in gran parte trascurati. Per comprendere meglio come sono collegati geochimica, composizione di piccole molecole e comunità microbiche, abbiamo condotto uno studio di tre anni sulle sorgenti delle Cinque Sorelle (FS) che includeva misurazioni geochimiche ad alta risoluzione, sequenziamento dell'rRNA 16S della comunità batterica e degli archaea e Caratterizzazione di metaboliti e piccole molecole extracellulari basata sulla spettrometria di massa. L'integrazione dei quattro set di dati ha facilitato un'analisi completa del sistema di molle termoalcaline intrecciate. Nel corso dello studio, la popolazione microbica ha risposto ai cambiamenti delle condizioni ambientali, con le popolazioni archeali che diminuivano sia in termini di abbondanza relativa che di diversità rispetto alle popolazioni batteriche. Le diminuzioni dell'abbondanza relativa di Archaea sono state associate a cambiamenti ambientali che includevano una diminuzione della disponibilità di piccole molecole extracellulari specifiche contenenti azoto e zolfo e fluttuazioni nelle vie metaboliche associate al ciclo dell'azoto. Questa analisi multifattoriale dimostra che la composizione della comunità microbica è più strettamente correlata con pool di piccole molecole extracellulari che con la geochimica delle sorgenti termali. Questa è una scoperta nuova e suggerisce che una componente delle sorgenti termali precedentemente trascurata può avere un impatto significativo sulla composizione della comunità microbica.

Le sorgenti termoalcaline sono ambienti unici di importanza biologica e industriale. Le applicazioni commerciali sono ben documentate in questi sistemi e gli attuali sforzi di bioprospezione termoalcalina sono ampi1. Un esempio di successo è la commercializzazione di una serie di enzimi termostabili tra cui enzimi lipolitici e idrolitici2,3. Di particolare interesse è lo sviluppo di enzimi cellulolitici termostabili in grado di convertire la biomassa lignocellulosica in zuccheri e, infine, in etanolo in condizioni industriali4. Il potenziale per sviluppare enzimi termo- e pH-stabili per applicazioni commerciali e l'interesse per l'ecologia di questi sistemi ha portato ad un accumulo di dati filogenetici geochimici e microbici5,6,7,8.

Insieme agli sforzi di bioprospezione, anche l’ecologia termoalcalina ha guidato le indagini. Attraverso questo lavoro, è stato dimostrato che la temperatura è un grande fattore determinante della diversità microbica, con l’aumento delle temperature primaverili che si traduce in una diminuzione della diversità microbica9,10,11. Gli aumenti della temperatura sono stati anche associati all'aumento dell'abbondanza e della diversità degli archaea11,12. È stato dimostrato che i termofili tollerano un ampio intervallo di pH 10,13. È stato anche dimostrato che il pH è un fattore importante per l'abbondanza e la diversità negli ambienti termali, con sorgenti circumneutre e alcaline che supportano popolazioni microbiche più diversificate13,14. Tuttavia, questi due fattori da soli non spiegano completamente l’assemblaggio delle popolazioni microbiche nei sistemi termali15. È stato dimostrato che le sorgenti termoalcaline contengono un'ampia gamma di batteri e archaea, con diversi cladi comuni che risiedono in sorgenti con geochimica e posizione geografica variabili9,16. I microbi predominanti nelle sorgenti descritte includono Chloroflexi, Deinococcus, Nitrospiral, Cyanobacteria, Proteobacteria, Thermodesulfobacteria, Aquificae, Thermotague, Thermococcales e Crenarchaeota9,14,16,17.

Nonostante il crescente interesse e le indagini su questi sistemi, permangono lacune nelle conoscenze2. Ad esempio, la dinamica temporale delle popolazioni microbiche termoalcaline nel corso di più anni è stata raramente studiata17,18,19 e, a nostra conoscenza, non sono state condotte analisi che combinano il metaboloma microbico con il metaboloma intracellulare e la composizione di piccole molecole extracellulari. Ciò è particolarmente vero per il campionamento invernale delle sorgenti termali nell'YNP, dove l'accesso è limitato. Le sfide associate alla crescente conoscenza delle sorgenti termoalcaline includono la coltura microbica. Per confermare il potenziale metabolico specifico e i contributi ecologici dei singoli microbi, sono spesso necessari isolati in coltura. Ambienti estremi come le sorgenti termoalcaline hanno presentato sfide agli sforzi di isolamento quando si utilizzano pratiche di coltura tradizionali, in particolare rispetto agli Archaea16,20. Acquisire una comprensione extracellulare e intracellulare degli ambienti termoalcalini ha ampie implicazioni, incluso il miglioramento degli sforzi di coltura fornendo informazioni sulle piccole molecole ambientali e sulle reti metaboliche.