Diversità microbica e flusso genico in sedimenti marini profondi

Abstract

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