39 research outputs found
Metabolic Adaptations to Marine Environments: Molecular Diversity and Evolution of Ovothiol Biosynthesis in Bacteria
Ovothiols are sulfur-containing amino acids synthesized by marine invertebrates, protozoans, and bacteria. They act as pleiotropic molecules in signaling and protection against oxidative stress. The discovery of ovothiol biosynthetic enzymes, sulfoxide synthase OvoA and β-lyase OvoB, paves the way for a systematic investigation of ovothiol distribution and molecular diversification in nature. In this work, we conducted genomic and metagenomics data mining to investigate the distribution and diversification of ovothiol biosynthetic enzymes in Bacteria. We identified the bacteria endowed with this secondary metabolic pathway, described their taxonomy, habitat and biotic interactions in order to provide insight into their adaptation to specific environments. We report that OvoA and OvoB are mostly encountered in marine aerobic Proteobacteria, some of them establishing symbiotic or parasitic relationships with other organisms. We identified a horizontal gene transfer event of OvoB from Bacteroidetes living in symbiosis with Hydrozoa. Our search within the Ocean Gene Atlas revealed the occurrence of ovothiol biosynthetic genes in Proteobacteria living in a wide range of pelagic and highly oxygenated environments. Finally, we tracked the evolutionary history of ovothiol biosynthesis from marine bacteria to unicellular eukaryotes and metazoans. Our analysis provides new conceptual elements to unravel the evolutionary and ecological significance of ovothiol biosynthesis
A submarine volcanic eruption leads to a novel microbial habitat
Submarine volcanic eruptions are major catastrophic events that allow investigation of the colonization mechanisms of newly
formed seabed. We explored the seafloor after the eruption of the Tagoro submarine volcano off El Hierro Island, Canary
Archipelago. Near the summit of the volcanic cone, at about 130 m depth, we found massive mats of long, white filaments that we
named Venus’s hair. Microscopic and molecular analyses revealed that these filaments are made of bacterial trichomes enveloped
within a sheath and colonized by epibiotic bacteria. Metagenomic analyses of the filaments identified a new genus and species
of the order Thiotrichales, Thiolava veneris. Venus’s hair shows an unprecedented array of metabolic pathways, spanning from
the exploitation of organic and inorganic carbon released by volcanic degassing to the uptake of sulfur and nitrogen compounds.
This unique metabolic plasticity provides key competitive advantages for the colonization of the new habitat created by the submarine eruption. A specialized and highly diverse food web thrives on the complex three-dimensional habitat formed by these
microorganisms, providing evidence that Venus’s hair can drive the restart of biological systems after submarine volcanic eruption
Rhodobacteraceae dominate the core microbiome of the sea star Odontaster validus (Koehler, 1906) in two opposite geographical sectors of the Antarctic Ocean
Microbiota plays essential roles in the health, physiology, and in adaptation of marine multi-cellular organisms to their environment. In Antarctica, marine organisms have a wide range of unique physiological functions and adaptive strategies, useful for coping with extremely cold conditions. However, the role of microbiota associated with Antarctic organisms in such adaptive strategies is underexplored. In the present study, we investigated the diversity and putative functions of the microbiome of the sea star Odontaster validus, one of the main keystone species of the Antarctic benthic ecosystems. We compared the whole-body bacterial microbiome of sea stars from different sites of the Antarctic Peninsula and Ross Sea, two areas located in two opposite geographical sectors of the Antarctic continent. The taxonomic composition of O. validus microbiomes changed both between and within the two Antarctic sectors, suggesting that environmental and biological factors acting both at large and local scales may influence microbiome diversity. Despite this, one bacterial family (Rhodobacteraceae) was shared among all sea star individuals from the two geographical sectors, representing up to 95% of the microbial core, and suggesting a key functional role of this taxon in holobiont metabolism and well-being. In addition, the genus Roseobacter belonging to this family was also present in the surrounding sediment, implying a potential horizontal acquisition of dominant bacterial core taxa via host-selection processes from the environment
Campagna oceanografica Anomcity_2016
Le attività scientifiche realizzate nell’ambito di questa campagna si inseriscono all’interno di programmi internazionali e nazionali condotti per il monitoraggio dei mari europei. Nello specifico si fa riferimento ai progetti Marine Strategy Framework Directive (MSFD; Direttiva 2008/56 EC), Water Framework Directive (WFD; Direttiva 2000/60 EC) e al progetto bandiera RITMARE (SP4 - Pianificazione dello spazio marittimo: Ambiente di mare profondo). Parte delle direttive e il progetto succitati sono finalizzati allo studio di fenomeni di impatto antropico in ambiente marino superficiale e profondo e all'individuazione di azioni specifiche in grado di limitare e ridurre l’impatto antropogenico a livelli sostenibili per l’ecosistema marino. Oltre allo studio dei contaminanti prioritari, tra cui metalli pesanti e composti organici (IPA, PCB, pesticidi, etc.), le direttive MSFD e WFD prevedono lo studio di una nuova classe di contaminanti definiti “emergenti” perché risultanti principalmente dall'impiego di tecnologie e materiali innovativi, e dall'ampia diffusione di alcune sostanze nel campo della chimica, della farmacologia e della cosmoceutica.
Il progetto RITMARE dedica parte delle attività di ricerca allo studio degli effetti del marine litter, ovvero all’impatto di macro- e micro-plastiche di origine antropica in ambiente marino superficiale e profondo. Nello specifico, il progetto prevede: i) lo studio della distribuzione geografica delle micro-plastiche e le possibili zone di concentrazione in aree marine specifiche per effetto della circolazione oceanica; ii) l’impatto di tali detriti sull’ecosistema, in termini di interazione con le funzioni vitali degli organismi (soffocamenti per ingestione, riduzione di capacità funzionali specifiche, ecc.) e di rilascio di contaminanti con fenomeni di bioaccumulo/biomagnificazione nelle reti trofiche marine.
Negli ultimi anni, il gruppo di biogeochimica dell’IAMC-CNR ha realizzato una serie di campagne oceanografiche (Anomcity_2012, 2013, 2014, 2015) finalizzate allo studio dei processi di contaminazione da metalli pesanti e contaminanti organici a scala di bacino e sottobacino nel Mediterraneo occidentale. I risultati hanno permesso di individuare sorgenti di impatto, pathways di distribuzione e sorte dei diversi contaminanti nelle varie aree investigate (Bonsignore et al., 2013, 2015; Sprovieri et al., 2011, 2013; Salvagio Manta et al., 2016; Oliveri et al., 2016) nonché i cosiddetti “inventari” delle diverse tipologie di inquinati sulla base dello studio di carote di sedimento per cui è stata eseguita una datazione sulla base dei radionuclidi di Cs e Pb (dati non pubblicati).
La Campagna Anomcity_2016 è stata incentrata su due obiettivi:
1. ampliamento dello stato di conoscenze sulla distribuzione in acqua di mare (fase disciolta) di un numero selezionato di contaminanti emergenti in aree marino-costiere del Mediterraneo impattate dall’attività antropica;
2. stima di abbondanza e distribuzione delle microplastiche in aree geografiche selezionate dal progetto RITMARE, considerando i processi di trasporto nell’ambiente, e di specie target come potenziali bioindicatori di accumulo di marine litter e analisi dei potenziali effetti di trasferimento sulla rete trofica. Per quanto concerne lo studio dei contaminanti emergenti, questa campagna ha rappresentato una delle primissime esperienze a scala internazionale dedicata a tale tipologia di indagine nel Mar Mediterraneo
Developing technological synergies between deep-sea and space research
Recent advances in robotic design, autonomy and sensor integration create solutions for the exploration of deep-sea environments, transferable to the oceans of icy moons. Marine platforms do not yet have the mission autonomy capacity of their space counterparts (e.g., the state of the art Mars Perseverance rover mission), although different levels of autonomous navigation and mapping, as well as sampling, are an extant capability. In this setting their increasingly biomimicked designs may allow access to complex environmental scenarios, with novel, highly-integrated life-detecting, oceanographic and geochemical sensor packages. Here, we lay an outlook for the upcoming advances in deep-sea robotics through synergies with space technologies within three major research areas: biomimetic structure and propulsion (including power storage and generation), artificial intelligence and cooperative networks, and life-detecting instrument design. New morphological and material designs, with miniaturized and more diffuse sensor packages, will advance robotic sensing systems. Artificial intelligence algorithms controlling navigation and communications will allow the further development of the behavioral biomimicking by cooperating networks. Solutions will have to be tested within infrastructural networks of cabled observatories, neutrino telescopes, and off-shore industry sites with agendas and modalities that are beyond the scope of our work, but could draw inspiration on the proposed examples for the operational combination of fixed and mobile platforms
Diversità microbica e flusso genico in sedimenti marini profondi
La metagenomica ha permesso lo studio della diversità degli organismi non coltivabili e il loro
ruolo nei vari ecosistemi tra cui suoli e sedimenti marini. acque interne e di oceano aperto.
L’analisi della diversità attraverso gli approcci metagenomici è basata sull’estrazione del DNA
genomico assumendo che questo sia completamente associato a biomassa vivente. Tuttavia, recenti
studi hanno dimostrato che il metagenoma completo di ogni campione ambientale è costituito da
pool differenti, tra cui: ,quello dei virus, quello associato a biomassa microbica e quello associato a
biomassa non vivente (i.e., DNA extracellulare). Le procedure comunemente utilizzate per isolare il
DNA da campioni ambientali non discriminano fra i diversi pool di DNA, influenzando quindi i
risultati delle indagini effettuate.
I viromi sono metagenomi contenenti DNA virale. I virus non sono solo le più abbondanti entità
biologiche negli oceani del mondo, ma attraverso le loro infezioni controllano sia l'abbondanza e la
diversità procariotica, sia cicli biogeochimici importanti a livello dell’ecosistema marino.
L’approccio metagenomico applicato alla componente virale dei sistemi marini ha permesso di
scoprire che i virus potenti possono essere importanti agenti di trasferimento genico: infatti ,
attraverso la ricombinazione e integrazione, i virus possono sia prelevare porzioni di genomi dei
loro ospiti sia trasferirli ad altri ospiti. Nonostante la loro importanza, la diversità virale negli
ecosistemi bentonici marini profondi è ancora del tutto sconosciuta e la metagenomica sembra
essere l'approccio più efficace per analizzarla. Finora, diversi strumenti bioinformatici sono stati
utilizzati per analizzare le sequenze virali in campioni ambientali, ma la maggior parte di questi
strumenti non sono stati specificamente progettati per l'analisi delle sequenze virali e confronti per
verificare la loro validità non esistono o sono troppo limitati.
In questo studio abbiamo sviluppato una procedura specifica per il recupero selettivo del DNA
virale da sedimenti marini profondi. Il DNA virale è stato sequenziato, attraverso tecniche di
pirosequenziamento, e analizzato confrontando tre pipeline di annotazione di sequenze
metagenomiche (MG-RAST, VMGAP, MetaVir). Questo al fine di testare la loro efficienza
nell'analisi della diversità virale, sia utilizzando i dati di sequenziamento sia quelli derivanti da
metagenomi virali ottenuti in silico a partire da sequenze depositate nelle banche dati. Queste
analisi indicano che la diversità tassonomica e funzionale dei virus varia in funzione della pipeline
utilizzata. MetaVir è risultata la pipeline più affidabile per l’annotazione tassonomica della diversità
virale. Tuttavia, tale pipeline, non essendo stata progettata per annotazioni di tipo funzionale, deve
essere necessariamente integrata con altre come VMGAP.
Pertanto, questo studio evidenzia la necessità di sviluppare una piattaforma bioinformatica completa
per un’annotazione efficiente sia tassonomica sia funzionale, al fine di .far luce sull'enorme
diversità genetica contenuta nei virus presenti nel più grande ecosistema della Terra.
La diversità tassonomica virale è stata esplorata in campioni di sedimento marino raccolti in
differenti aree oceaniche del Globo, da 2000 a 10000 m di profondità. I risultati di questa analisi
hanno permesso di evidenziare, per la prima volta, che la diversità virale negli ecosistemi bentonici
profondi non solo è molto elevata, ma anche che alcune famiglie virali sono molto diffuse,
nonostante le differenze ambientali ed ecologiche degli ecosistemi analizzati. Le similarità tra i
campioni analizzati in questo studio e la maggior parte dei viromi ad oggi pubblicati suggeriscono
che diversi fattori contribuiscono a modellare la diversità dell’assemblage virale. In aggiunta, tutti i
viromi presentano un’elevata diversità funzionale putativa e contengono anche funzioni derivanti
dai loro ospiti, tra cui funzioni metaboliche chiave.
I metagenomi microbici sono costituiti da DNA associato a biomassa vivente, che nei sedimenti
marini profondi è rappresentata prevalentemente da procarioti (Batteri e Archaea). La possibilità di
studiare le comunità microbiche attraverso gli approcci metagenomici ha permesso di capire meglio
il loro ruolo nell'ambiente marino anche negli ambienti marini profondi, che sono molto difficili da
raggiungere, consentendo anche la scoperta di nuovi enzimi e vie metaboliche, spesso utili per
applicazioni industriali o biotecnologiche.
Il DNA extracellulare ha un ruolo chiave negli ecosistemi marini, sia come fonte di nutrienti che
come fonte di geni. Può essere sia rilasciato dalla comunità procariotica durante la crescita sia
attraverso la lisi cellulare (a causa di infezione virale o per morte cellulare naturale). Sedimenti e
suoli possono anche preservare questo DNA rilasciato, che può rimanere adeso alle particelle
minerali e organiche. Questo pool extracellulare conservato può essere incorporato da cellule
naturalmente competenti, che possono andare incontro a processi di trasformazione naturale.
In questo studio l'analisi contestuale dei metagenomi microbici ed extracellulari nei diversi
ecosistemi bentonici profondi, non solo ha fornito informazioni riguardanti la composizione
specifica di ciascun pool, ma ha anche rivelato che il DNA extracellulare contiene una diversità
genetica elevata che ad oggi non era mai stata considerata. Tale diversità genetica costituisce una
frazione rilevante della diversità genetica associata all’intero metagenoma. La maggior parte della
diversità genetica del DNA totale è rappresentata da geni afferenti al DNA extracellulare e, in
media, circa il 50% delle «specie» contenute nel DNA extracellulare è condiviso con il microbioma.
Inoltre, dal confronto tra tutti i metagenomi risulta che sequenze virali sono presenti non solo, come
atteso, nei viromi ma anche nei microbiomi e nei metagenomi extracellulari.
L’analisi bioinformatica comparativa tra tutti i metagenomi ha rivelato la presenza di funzioni
putative coinvolte in differenti processi di trasferimento genico orizzontale. Di particolare rilevanza
sono le funzioni relative all’uptake del DNA e la sua mobilizzazione e quelle relative ad elementi
genetici mobili come i gene transfer agents (GTAs) ed i profagi.
Esperimenti di laboratorio condotti su sedimenti marini profondi dimostrano anche che il DNA
extracellulare può essere una risorsa genetica importante per la comunità microbica dal momento
che fino al 6% delle cellule procariotiche risultano essere competenti e in grado di acquisire nuove
funzioni. Nel loro insieme, questi risultati suggeriscono che gli ecosistemi bentonici profondi hanno
un elevato potenziale di trasferimento genico che può avvenire attraverso meccanismi multipli
Marine archaea and archaeal viruses under global change
Global change is altering oceanic temperature, salinity, pH, and oxygen concentration, directly and indirectly influencing marine microbial food web structure and function. As microbes represent >90% of the ocean's biomass and are major drivers of biogeochemical cycles, understanding their responses to such changes is fundamental for predicting the consequences of global change on ecosystem functioning. Recent findings indicate that marine archaea and archaeal viruses are active and relevant components of marine microbial assemblages, far more abundant and diverse than was previously thought. Further research is urgently needed to better understand the impacts of global change on virus-archaea dynamics and how archaea and their viruses can interactively influence the ocean's feedbacks on global chang
Diversity, Ecological Role and Biotechnological Potential of Antarctic Marine Fungi
The Antarctic Ocean is one of the most remote and inaccessible environments on our planet and hosts potentially high biodiversity, being largely unexplored and undescribed. Fungi have key functions and unique physiological and morphological adaptations even in extreme conditions, from shallow habitats to deep-sea sediments. Here, we summarized information on diversity, the ecological role, and biotechnological potential of marine fungi in the coldest biome on Earth. This review also discloses the importance of boosting research on Antarctic fungi as hidden treasures of biodiversity and bioactive molecules to better understand their role in marine ecosystem functioning and their applications in different biotechnological fields