Alcuni batteri si evolvono puntualmente con il passare delle stagioni

Secondo un nuovo studio in Microbiologia della natura, i ricercatori hanno scoperto che nel corso di un anno, la maggior parte delle singole specie di batteri nel lago Mendota si è evoluta rapidamente, apparentemente in risposta ai cambiamenti radicali delle stagioni. Le varianti genetiche aumenterebbero e diminuirebbero nel corso delle generazioni, ma centinaia di specie separate torneranno, quasi completamente, a copie quasi di ciò che erano geneticamente prima di un migliaio di generazioni di pressioni evolutive. (I singoli microbi hanno una durata di vita di pochi giorni – non di intere stagioni – quindi il lavoro degli scienziati prevedeva il confronto dei genomi batterici per esaminare i cambiamenti nelle specie nel corso del tempo.) Questo stesso cambiamento stagionale si è verificato anno dopo anno, come se l’evoluzione fosse un il film torna all’inizio ogni volta e viene riprodotto di nuovo, apparentemente senza arrivare da nessuna parte.

“Sono rimasto sorpreso dal fatto che una porzione così ampia della comunità batterica stesse subendo questo tipo di cambiamento”, ha affermato Robin Rohwer, ricercatore post-dottorato presso l’Università del Texas ad Austin nel laboratorio del coautore Brett Baker. “Speravo di osservare solo un paio di esempi interessanti, ma ce n’erano letteralmente centinaia.”

Rohwer ha guidato la ricerca, prima come studente di dottorato lavorando con Trina McMahon presso l’Università del Wisconsin-Madison e poi all’UT.

Il lago Mendota cambia notevolmente da stagione a stagione: durante l’inverno è coperto di ghiaccio e durante l’estate è ricoperto di alghe. All’interno della stessa specie batterica, i ceppi che si adattano meglio a una serie di condizioni ambientali supereranno gli altri ceppi per una stagione, mentre altri ceppi avranno la possibilità di brillare durante stagioni diverse.

Il team ha utilizzato un archivio unico nel suo genere di 471 campioni di acqua raccolti in 20 anni dal lago Mendota da McMahon, Rohwer e altri ricercatori dell’UW-Madison come parte di progetti di monitoraggio a lungo termine finanziati dalla National Science Foundation. Per ogni campione di acqua, hanno assemblato un metagenoma, tutte le sequenze genetiche provenienti da frammenti di DNA lasciati da batteri e altri organismi. Ciò ha prodotto la serie temporale del metagenoma più lunga mai raccolta da un sistema naturale.

“Questo studio rappresenta un punto di svolta totale nella nostra comprensione di come le comunità microbiche cambiano nel tempo”, ha affermato Baker. “Questo è solo l’inizio di ciò che questi dati ci diranno sull’ecologia microbica e sull’evoluzione in natura.”

Questo archivio ha anche rivelato cambiamenti genetici più duraturi.

Nel 2012 il lago ha vissuto condizioni insolite: la copertura del ghiaccio si è sciolta presto, l’estate è stata più calda e secca del solito, il flusso d’acqua del fiume che alimenta il lago è diminuito e le alghe, che sono un’importante fonte di azoto organico per batteri, erano più scarsi del solito. Come hanno scoperto Rohwer e il suo team, quell’anno molti dei batteri presenti nel lago hanno subito un importante cambiamento nei geni legati al metabolismo dell’azoto, probabilmente a causa della scarsità di alghe.

“Ho pensato che, tra centinaia di batteri, avrei potuto trovarne uno o due con un cambiamento a lungo termine”, ha detto Rohwer. “Ma invece, 1 su 5 ha avuto grandi cambiamenti di sequenza che si sono verificati nel corso degli anni. Siamo stati in grado di scavare in profondità solo in una specie, ma alcune di quelle altre specie probabilmente hanno avuto anche grandi cambiamenti genetici.”

Gli scienziati del clima prevedono eventi meteorologici più estremi – come l’estate calda e secca vissuta sul lago Mendota nel 2012 – per gli Stati Uniti centro-occidentali nei prossimi anni.

“Il cambiamento climatico sta lentamente spostando le stagioni e le temperature medie, ma causa anche eventi meteorologici più improvvisi ed estremi”, ha affermato Rohwer. “Non sappiamo esattamente come i microbi risponderanno ai cambiamenti climatici, ma il nostro studio suggerisce che si evolveranno in risposta a questi cambiamenti graduali e improvvisi”.

A differenza di un altro famoso esperimento sull’evoluzione batterica dell’UT, l’esperimento sull’evoluzione a lungo termine, lo studio di Rohwer e Baker ha coinvolto l’evoluzione batterica in condizioni naturali complesse e in costante cambiamento. I ricercatori hanno utilizzato le risorse di supercalcolo del Texas Advanced Computing Center (TACC) per ricostruire i genomi batterici da brevi sequenze di DNA nei campioni di acqua. Lo stesso lavoro che ha richiesto un paio di mesi per essere completato al TACC avrebbe richiesto 34 anni con un computer portatile, stima Rohwer, coinvolgendo oltre 30.000 genomi di circa 2.800 specie diverse.

“Immaginiamo che il genoma di ogni specie sia un libro e che ogni piccolo frammento di DNA sia una frase”, ha detto Rohwer. “Ogni campione ha centinaia di libri, tutti suddivisi in queste frasi. Per rimontare ogni libro, devi capire da quale libro proviene ciascuna frase e rimetterli insieme in ordine.”

Altri coautori del nuovo studio sono Mark Kirkpatrick dell’UT; Sarahi Garcia dell’Università Carl von Ossietzky di Oldenburg (Germania) e dell’Università di Stoccolma; e Matthew Kellom del Joint Genome Institute del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti.

Questo è uno dei due articoli correlati pubblicati sulla rivista; il documento complementare si concentra sull’ecologia e sull’evoluzione dei virus provenienti dagli stessi campioni lacustri.

Il sostegno a questa ricerca è stato fornito in parte dalla National Science Foundation degli Stati Uniti, dal National Institutes of Health degli Stati Uniti, dall’Office of Science del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, dal Dipartimento dell’Agricoltura degli Stati Uniti, dalla Simons Foundation e dall’E. Michael and Winona Foster-WARF Borsa di studio per laureati Wisconsin Idea in microbiologia.